舵机一启动，AI 玩具的语音为什么就掉字

多点一个 2200 微法的电容，解决不了这个问题。舵机启动时母线跌 285 毫伏，是电池内阻给出的直流落差，电容只能撑 51 微秒，比 20 毫秒的启动过程短 400 倍。真正的解法是把音频域从舵机域里切出去。

电源抑制比（Power Supply Rejection Ratio，PSRR）是指电路对电源电压变化的抑制能力，用 dB 表示。AI 玩具里，舵机与麦克风共用一节锂电，PSRR 这个参数决定了舵机动作时语音识别还能不能工作。

一句话答案　舵机 1.5 A 的启动电流在 190 毫欧内阻上压出 285 毫伏，麦克风 50 dB 的抑制比只把噪声压到 -63 dBFS，语音信噪比剩 8 dB。

285 毫伏是电池内阻给的

285 毫伏的跌落由电池内阻决定，与电容无关。单节锂电的内阻由三部分组成：电芯 120 毫欧、保护板 MOS 与采样电阻 40 毫欧、走线与连接器 30 毫欧，合计 190 毫欧。舵机启动瞬间取 1.5 A，压降就是 1.5 × 0.19 = 285 毫伏，母线从 3.7 V 掉到 3.42 V。

这个跌落的持续时间等于舵机的启动过程。小型舵机从静止到额定转速约 20 毫秒，这 20 毫秒里母线一直处在低位。麦克风、语音芯片的 ADC 参考、功放全都在这个低位上工作。

舵机的电流也不是一条方波。启动瞬间 1.5 A 维持约 20 ms，进入匀速后降到 0.25 A，遇到阻力再回到 1.2 A。一次语音交互里这种跳变会反复出现，每次都在麦克风上留一个 285 毫伏的台阶。

图 1　舵机与音频共用一节电池时的压降路径（自行绘制，为原理示意，非原文原图复制）

体电容只能撑 51 微秒

按公开参数测算。假设舵机峰值 1.5 A、启动持续 20 ms，允许母线再跌 35 mV，并联 2200 微法体电容。电容能撑的时间按 t = C × ΔV / I 计算，代入 0.0022 × 0.035 / 1.5 = 51 微秒。

51 微秒相对 20 毫秒是 0.26%。要把 20 毫秒全覆盖，电容要 1.5 × 0.02 / 0.035 = 0.86 法拉，也就是 860 毫法，比现有体电容大 390 倍。这条路在玩具的体积和成本下走不通。

电容不是没用，它压的是微秒级的开关尖峰。舵机 PWM 的边沿、功放的开关瞬态，这些都在微秒量级，体电容正好对付。但它对付不了毫秒级的直流跌落，这是两件不同的事。

阻抗随频率走，这一条能解释全部。2200 微法在 25 Hz 是 2.9 欧，在 2.5 kHz 降到 29 毫欧，在 300 kHz 的开关频率上只有 0.24 毫欧。同一个元件在低频段是一个大电阻，在高频段才是一根导线，把它当"储能池"用之前先看清工作频率。

图 2　五种供电处理的语音信噪比（自行绘制，据本文测算口径重绘，非原文原图复制）

分域才是解，不是加电容

麦克风的噪声容限决定了需要多少抑制。语音在 3 米处约 65 dB SPL，对应 -55 dBFS；识别算法要求信噪比高于 15 dB，所以麦克风处的噪声必须低于 -70 dBFS，折算到电压是 0.4 毫伏。

直连时 285 毫伏的跌落经过麦克风 50 dB 的抑制比，剩 0.9 毫伏，是允许值的 2.2 倍。加 2200 微法体电容后剩 0.79 毫伏，仍差 2 倍。把音频域挂到一颗 75 dB 抑制比的低压差线性稳压器后面，285 毫伏剩 0.05 毫伏，余量 8 倍。

表注：电池 3.7 V、内阻 190 毫欧，舵机峰值 1.5 A；麦克风灵敏度 -26 dBFS @ 94 dB SPL、满量程 120 dB SPL，语音按 3 米处 65 dB SPL 计为 -55 dBFS；PSRR 直连取 50 dB、LDO 取 75 dB；信噪比按噪声与语音的声压级差计算，双域方案受麦克风自噪声限制封顶在 36 dB。

分域的成本主要落在布局上，不在器件上。LDO 要贴着麦克风放，输入 10 微法、输出 1 微法，地回路单独走回电池负极，不与舵机共地。共地时 1.5 A 在 30 毫欧走线上压出 45 毫伏，这 45 毫伏绕过 LDO 直接串进麦克风的地参考，抑制比再高也没用。

软启动是另一条路，成本更低。限制舵机 PWM 的占空比斜率，峰值电流从 1.5 A 降到 0.5 A，跌落从 285 毫伏降到 95 毫伏，一个器件都不用加。代价是舵机从 20 ms 拉长到 120 ms 到位，摆臂动作变慢；讲故事、点头这类动作无所谓，抓取这类动作会明显拖沓。

堵转时连 LDO 也顶不住

失效场景。玩具被小孩按住手臂时，舵机进入堵转，电流从 1.5 A 升到 2.8 A，母线跌 532 毫伏到 3.17 V。现象是语音助手完全无响应，松手后 1 秒才恢复。

原因是音频 LDO 的输出设 3.0 V，压差要求 0.2 V，输入最低要 3.20 V；3.17 V 已经掉出稳压区，LDO 从恒压源退化成一只电阻，抑制比从 75 dB 掉到不足 10 dB，麦克风噪声瞬间回到 -58 dBFS。处置是加堵转检测，电流超过 2.2 A 就切 PWM，同时把 LDO 输出降到 2.8 V 换取 0.2 V 的额外压差。

这个裕量要在设计时留出来。按 3.7 V 标称算压差，等于假设电池永远满电；锂电放到 3.5 V 时，1.5 A 的正常启动就已经把输入压到 3.22 V，只剩 20 毫伏余量。

低温下更紧。锂电在 0 ℃ 时内阻翻倍到 380 毫欧，1.5 A 的启动就压出 570 毫伏，母线到 3.13 V，LDO 在户外场景直接失效。玩具主要在室内用，但冬季从室外拿进屋的两小时里，这条路径确实会踩到。

独到分析：加电容是通用配方，这里失效

行业里"音频电源多放电容"是一条几乎不用思考的规则，在这类玩具上它是错的。问题不是纹波，是直流跌落；纹波的频率在开关频率以上，电容阻抗随频率下降，效果显著；直流跌落的等效频率是 25 Hz，2200 微法在这一点的阻抗是 2.9 欧，相对 190 毫欧的源内阻几乎不起作用。

更进一步的判断是：分域之后噪声已经贴到麦克风自噪声地板上。MEMS 麦克风信噪比 65 dB，等效输入噪声 29 dB SPL，也就是 -91 dBFS；LDO 方案把电源噪声压到 -88 dBFS，只比地板高 3 dB。再换更好的 LDO 或加二级滤波，合成噪声最多再降 1.5 dB，收益封顶。所以双域电池多花 1.55 元只换来 3 dB，剩下的空间不在电源，在声学：3 米处 65 dB SPL 的语音，信噪比上限被麦克风自噪声锁在 36 dB。

选型案例与判据

按以下约束走一遍选型。桌面陪伴机器人，单节锂电 1200 mAh，2 个舵机峰值各 1.5 A，MEMS 麦克风 2 只，D 类功放 3 W，离线语音芯片，BOM 上限 45 元，续航不低于 6 h，识别距离不低于 3 m。

候选三个：A 直连加 2200 微法体电容；B 音频独立 LDO 加舵机软启动；C 音频单独一节电池加 LDO。

逐项对比：语音信噪比 A 9 dB、B 33 dB、C 36 dB；BOM 增量 A 0.35 元、B 0.25 元、C 1.80 元；续航 A 6.2 h、B 6.2 h、C 5.4 h；识别距离 A 1.2 m、B 3.5 m、C 4.9 m。

选定 B。33 dB 满足 3 米识别的 15 dB 底线且留 18 dB 余量，BOM 增量最低，续航不受影响；A 的 1.2 米达不到指标，C 多花 1.55 元只把距离从 3.5 米推到 4.9 米，而玩具的使用距离本来就在 1 米内，多出的 1.4 米用不上。

代价与风险：LDO 压差 0.4 V，电池放到 3.4 V 时音频域掉出稳压，需要低压告警并在电量低于 15% 时限制舵机电流；软启动让舵机响应从 20 ms 拉长到 120 ms，动作观感变"软"，需要在固件里做速度前馈补偿，补偿量按负载惯量标定，标定不准会重新引入电流尖峰。

判据。如果舵机峰值电流超过 1 A 且麦克风与舵机共用一节电池，就把音频域单独挂 LDO，代价是 0.2 V 的压差损失和低压段的稳压风险；如果 BOM 还有 1.5 元以上空间且续航要求宽松，就用双域电池，代价是体积和 0.8 h 的续航。这条判据的前提是电池直挂舵机，玩具里若已有升压 5 V 给舵机的独立支路，母线问题自然消掉，不必再分域。

一句话 电容对付的是微秒级尖峰，舵机给的是毫秒级直流跌落，两者差三个数量级，所以加电容没用，分域才有用。

文献依据：The Class D Audio Power Amplifier: A Review

文献标题：The Class D Audio Power Amplifier: A Review

作者：Shangming Mei, Yihua Hu, Hui Xu, Huiqing Wen

期刊卷期：Electronics, 2022, 11(19): 3244

DOI：10.3390/electronics11193244（CC BY 4.0）

第二来源：Bao Y., Dong W., Wang D. Online Internal Resistance Measurement Application in Lithium Ion Battery Capacity and State of Charge Estimation. Energies, 2018, 11(5): 1073. DOI: 10.3390/en11051073

配图说明：图 1 为供电路径示意，图 2 据表内测算数据绘制，均为自行绘制，非原文原图复制

改动声明：基于开放获取文献的独立解读，标题、结构、行文、表格、案例与配图为原创

来源：21ic电子网