1 前言
1.1 说明
本文阐述了TG6000A语音芯片典型电路应用设计，布局参考以及应用环境等方面的信息。在本文档和其他相关文档的帮助下，开发者可快速理解TG6000A语音芯片A的硬件功能并进行产品硬件开发。
1.2 相关文档
TMALL GENIE 6000A_Datasheet_V1.0.pdf<br /> TG6000A-参考原理图_V1.0<br /> TG6000A-PIN MUX Mapping_V1.0
2 TG6000A芯片概述
TG6000A语音芯片是天猫精灵推出的一颗高集成化SOC。集成了高性能的auido codec，高性能WiFi/BT，集成了16MB Flash/8MB PSRAM/2.5MB SRAM，可实现远场语音的复杂应用。该芯片支持使用RTOS系统；支持IEEE 802.11 b/g/n的WiFi协议/经典蓝牙/BLE MESH；具有丰富的外围接口，如I2C、SPI、UART、PWM等各种接口，可以外接显示屏、红外、LED等各种外设扩展。该芯片适用于智能家电、智能家居等众多智能物联网应用。
2.1 TG6000A芯片的框图
2.2 GPIO分配
2.2.1 GPIO口的复用功能
2.2.2 GPIO口的功能参考
TG6000A的GPIO有12个GPIO ,1个LED,1个GPADC, 1个KEYSENSE。
GPIO_Px_x都可作为支持中断功能的输入，或者输出功能。
具体描述如下：
| PWM | LED 1 PWM GPIO_P3_4 PWM2 GPIO_P3_5 PWM3 GPIO_P2_0 PWM2 GPIO_P2_1 PWM3 |
· LED1：支持呼吸灯/IR，专用引脚，不可用作GPIO · 一共3个PWM接口，LED1专用于驱动LED灯，其它可用于普通GPIO口使用 |
|---|---|---|
| SPI | GPIO_P0_1 SPI1_DIO GPIO_P0_0 SPI1_DCN GPIO_P1_1 SPI1_CS0 GPIO_P1_0 SPI1_CLK |
支持SPI LCD 可用于普通GPIO口使用 |
| GPADC | GPIO_00 | 可用于普通GPIO口使用 |
| GPADC1 | GPADC1 | 满量程电压为1.7V（可用于电池电压检测） 专用引脚，不可用作GPIO |
| KEY | KEYSENSE | · ADC 按键：最多6个 · ADC满量程电压：0.3VIO 专用引脚，不可用作GPIO |
| I2C | GPIO_P2_0 I2C_SCL GPIO_P2_1 I2C_SDA |
· 支持400KHz 可用于普通GPIO口使用 |
| UART | GPIO_P1_6 UART_RX GPIO_P1_7 UART_TX |
· 软件下载（上电默认检测是否下载） 可用于普通GPIO口使用（应用启动后，需要手动修改为GPIO） |
3 TG6000A芯片硬件电路设计指南
本小节将详细介绍芯片的各功能模块的电路设计注意事项，详细设计请参考:TG6000A参考原理图。
3.1 电源模块
| Symbol | Description | Min | Typ | Max | Unit |
|---|---|---|---|---|---|
| VBAT | Supply Voltage from battery or LDO | 3.1 | 3.8 | 5.5 | V |
| VIL | CMOS Low Level Input Voltage | 0 |
| 0.3VIO(a) | V | | VIH | CMOS High Level Input Voltage | 0.7VIO |
| VIO | V | | VTH | CMOS Threshold Voltage |
| 0.5*VIO |
| V |
（a）VIO 为内部电源转换。在VBAT≥3.6V时，VIO=3.3V。若VBAT在3.3V时，IO口存在0.1~0.3V的压降。
TG6000A芯片通过VBAT管脚供电，具有宽供电范围3.1～5.5V，建议采用3.8V的电源电压。GPIO口的电压为3.3V @ VBAT≥3.5V。
本芯片的理论功耗约为待机0.6W(语音模块仍处于工作状态)，工作0.78W。平均工作电流约为210mA@3.8V，峰值工作电流约为1.2A@3.8V。建议使用1.5A以上DCDC进行供电。
3.2 射频模块
TG6000A芯片包含WiFi和BT的射频模块，WiFi和BT的RF端口是分开的，所以在实际使用时需要增加一个RF switch来切换WiFi和BT的工作。参考电路如下：<br /><br />在射频设计时，需要在switch的端口前后都需要增加π型匹配电路。由于TG6000A的TX发射功率存在离散性，所以推荐生产增加功率和频偏校准的动作。具体校准方法参考“TG6000A_WiFi BT test flow-V1.0.pdf”。
3.3 音频模块
TG6000A的音频模块包括三部分：数字MIC，模拟MIC和Audio输出
| DMIC *1 | GPIO_P0_1 PDM0_D GPIO_P0_0 PDM0_CK |
|---|---|
| AMIC*3 | MIC1-MIC3(其中MIC3为AEC回采) |
| Audio Output*2 | Speaker L/R。仅支持mono输出。 |
3.3.1 MIC模块
TG6000A芯片具有3个模拟MIC输入接口和1个PDM接口。MIC1、MIC2接口用于连接2个模拟MIC，MIC3接口是AEC输入端口。PDM接口连接双数字MIC设计。
模拟MIC的设计框图：
具体的模拟MIC的设计电路参考如下：
数字MIC的设计框图：
数字MIC的设计电路参考如下：
Layout时，clock和data信号线做包地处理；clock信号线上串接的0欧电阻靠近芯片放置；data信号线上的0欧姆靠近数字MIC放置。原理图设计时预留clock和data信号线的对地电容，目的是EMC整改。
3.3.2 Speaker电路
TG6000A支持模拟音频输出，有两路模拟音频输出PIN脚，分别是LOUT_R和LOUT_L。但两路音频输出目前暂不支持立体声输出，输出的是相同的单声道信号。用户可以使用任意一组信号，没有区别。
音频模拟输出为差分信号，分别是LOUT_RP、LOUT_RN，以及LOUT_LP、LOUT_LN。
参考设计如下图所示：
参考：外部模拟PA参考电路
参考: 音频模拟输出差分信号走线
注1:该参考设计为5V供电，驱动额定功率为3W/4欧姆的喇叭。若需要增大喇叭功率，需要提高PA的供电电压。
3.3.3 AEC电路
TG6000A的AEC回路，把PA端输出的音频信号通过AEC回路回传到芯片。默认使用MIC3接口作为AEC回路信号。
下图的参考设计为5V PA供电时的参考。若采用PA采用其他供电电压的供电，需要调整下图中的R202和R203的分压电阻。
AEC调整方法：（以提供的Demo参考为例）
整个音频链路的数学模型如下图：
从上面的数学模型来看，VAEC只与放大器的放大倍数Gp和分压电路的K有关系，与PA的负载无关。
TG6000A内对AEC回路采集增益和芯片LineOut输出的增益，软件已固定。所以Vin和VAEC相对是固定的。以参考设计为例，Gp=4，,所以VAEC=Vin 。如果在最终产品中要调整放大器的放大倍数Gp，就需要根据上面的公式调整K，让VAEC=Vin。
3.4 IO口的常规设计
3.4.1 UART串口电路
TG6000A芯片的UART0用于固件加载和软件调试，UART1是可以用于外部串口设备。
固件加载时，底板上需要将UART0_TX、UART0_RX、GND三个信号预留装备测试点。PC机通过USB接口，经USB/串口转换板连接到底板的对应测试点，进行固件加载。UART0是调试串口，速率为1.5M。
3.4.2 SPI接口
TG6000A芯片具有1个SPI接口，可以用来连接SPI接口的显示屏。SPI的时钟速率典型值是26MHz，最高是52MHz。当只有写操作时（SPI pin都是输出，没有输入），比如驱动LCD屏，最高可以达到80MHz。
SPI显示屏的参考设计如下图所示：
3.4.3 I2C接口
TG6000A芯片具有1个I2C Master接口，可以用来连接I2C设备，如TP等。I2C的速率配置为100KHz。I2C接口与UART1接口属于共用IO口，在使用I2C时需要软件配置成I2C功能。
I2C建议外部使用4.7k上拉到IO电源。如下是接TP的参考设计。
3.4.4 PWM接口
TG6000A芯片具有5个PWM接口，可以用来控制呼吸灯、控制LCD背光等。LED这个，需要注意该管脚在开机默认是内部弱上拉输出。PWM的控制LED灯参考电路如下图所示：<br /><br />PWM1由于默认内部弱上拉，如果在上电瞬间不想亮灯，则需要对控制逻辑进行反向。例如下图的参考设计中，使用2个NPN管进行反向逻辑控制。<br />
3.4.5 ADC按键电路
TG6000A芯片具有1个ADC KEY接口，可以实现3颗按键识别。ADC的识别范围是0～0.3VIO，即0～0.99V。
Demo固件里设置的3档分别是0.9V、0.6V、0.27V。软件里面的按键分档也是按这三个档，建议分压电路按如下参考设计进行。
ex：TG6000A的开发板ADC输入电阻分压超过0.99V，达到满量程，此时检测>0.95V，无按键。
- SW301按下，此时输出端电压0.9V
- SW302按下，此时输出端电压0.6V
- SW303按下，此时输出端电压0.27V。
4、热设计
4.1 芯片工作温度范围
芯片工作环境温度范围：-20℃~80℃（芯片需要良好的散热设计）
4.2 芯片的散热设计
TG6000A芯片在麦克风阵列工作状态下，平均功耗约在0.78W(不同给的供电电压)。建议的一些散热设计如下：
1）按照建议的PCB封装设计底部散热PAD。
2）散热PAD接主地，做通孔到底层，通孔数量建议99以上
3）PCB背面对应散热PAD的区域，建议露铜刷点阵锡膏
4）PCB板上其他发热器件，如Speaker PA、DCDC等，尽量远离芯片，建议保持20mm以上距离
5）双层板尽量保障一面PCB做完整GND层，并多加GND过孔
6）适当增加PCB板面积对散热有帮助（9060mm）
7）在2）基础上在PCB底层增加散热片，能较大程度改善发热。
5、芯片PCB设计注意事项
5.1 芯片器件封装
5.2 SMT 炉温曲线要求
表格1：Package Peak Reflow Temperature - Sn/Pb
| Package Thickness | Volume mm3< 350 | Volume mm3≥ 350 |
|---|---|---|
| < 2.5 mm | 240 + 0°C / -5°C | 225 + 0°C / -5°C |
| ≥2.5 mm | 225 + 0°C / -5°C | 225 + 0°C / -5°C |
表格2： Package Peak Reflow Temperature - Pb-FREE (a)
| Package Thickness | Volume mm3< 350 | Volume mm3 350 -2000 | Volume mm3> 2000 |
|---|---|---|---|
| < 1.6 mm | 260 + 0°C* | 260 + 0°C* | 260 + 0°C* |
| 1.6mm to 2.5 mm | 260 + 0°C* | 250 + 0°C* | 245 + 0°C* |
| ≥2.5 mm | 250 + 0°C* | 245 + 0°C* | 245 + 0°C* |
(a)Tolerance: The device manufacturer/supplier shall assure process compatibility up to and including the stated classification temperature(this means Peak reflow temperature +0℃.For example 260℃+ 0℃) at the rated MSL level.
表格3：Solder Reflow Profile Feature
| Profile Feature | Specification | |
|---|---|---|
| Average Ramp-Up Rate (tsmax to tp) | 3°C/second max. | |
| Pre_heat | Temperature Min (Tsmin) | 150°C |
| Temperature Max (Tsmax) | 200°C | |
| Time (ts) | 60-120 seconds | |
| Time Maintained above | Temperature (TL) | 217°C |
| Time (tL) | 60-150 seconds | |
| Peak/Classification Temperature (Tp) | 260°C | |
| Time within 5°C of Actual Peak Temperature (tp) | 20-40 seconds | |
| Ramp-Down Rate 6 | 6°C/second max. | |
| Time 25°C to Peak Temperature 8 | 8 minutes max. |
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