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eCall和群集系统的音频设计

我叫 Clancy Soehren 是德州仪器 (TI) 的应用 工程师。 我在混合信号 汽车部门工作, 今天,我们将讨论 eCall 和仪表组中的 音频子系统。 首先,我想了解一下 这些子系统中每个 子系统的音频架构。 然后,我们来看看决定 音频质量的具体 参数和规格。 现在,这两个系统都 有可能发生故障。 故障发生时,它们都 需要能够保持正常运转, 对于系统来说,了解 发生了什么会很有帮助。 所以我们来看看 诊断和保护。 最后,效率是 关键问题,这是 我们为何讨论使用 D 类 放大器,而不是 AB 类放大器的原因, 然后我们将了解一下 EMI 和 EMC 注意事项,这对于 汽车非常重要。 首先是 音频架构。 这是中档混合动力 汽车中的仪表组 系统的方框图。 仪表组中的音频 通常只是非常基本的声音。 可能只是一个 提示音或蜂鸣声。 对于一些低端汽车, 仍然存在这种情况。 不过由于汽车的电子产品 越来越先进, 我们所面临的 驾驶员通知需求 也变得越来越多。 这正是仪表组内的 音频系统发挥作用的 地方。 现在,可能会有一个 真正的语音通知, 这或许是在驾驶员 开始打盹时发出警告, 或在他们尝试变更车道时 发出警告,如果在 盲区有什么情况, 也需要发出 警报。 所以,为了实现这个 更先进的系统, 我们需要一个 DAC, 然后是 D 类放大器, 然后是扬声器,就像这里 这个金色框中显示的。 对于 eCall,这个系统 看起来要更复杂一点。 现在,紧急呼叫是一个 系统,当驾驶员发生 事故时,eCall 系统 将检测这一情况, 然后自动 拨打紧急 救援服务电话。 所以,它需要能够 推进双向呼叫。 要实现这个功能,通常 必须依靠独立的电源路径。 所以,它既需要能够依靠 汽车电池运行,也需要 能够依靠自己的独立电池 运行,即使是电压在 3.6 到 3.9 伏 的电池组。 所以它的电源路径 较为复杂。 但是,现在我们先只看 音频系统。 为了能够 推进双向呼叫, 我们还需要有 一个麦克风,而且 它必须经过 麦克风前置放大器, 经过音频编解码器、 ADC,还有通往 连接模块的装置。 最后,应答者的 声音将经由 连接模块 进入 DAC, 这将驱动 D 类 放大器,最后 进入汽车内的 扬声器。 这是一个表,我将 在整个演示中 多次展示该表。 它显示了仪表组 与 eCall 之间的 相似点和不同点, 以及所有不同的参数。 我们刚才已经做了 一些介绍。 对于仪表组, 音频源将是一个预录信号。 而对于 eCall,则必须是 双向呼叫。 所以它的音频源是 来自无线模块的 数字输入以及 同一时间来自麦克风且 需要传输至 无线模块的 模拟输入。 音频输出将 经由扬声器, 不过对于仪表组, 您只会听到钟声、提示音 或简短的驾驶员通知。 对于 eCall,则将是 完整的语音对话。 这两个系统通常都 只使用一个通道。 如果是 eCall, 可能能够 使用娱乐信息系统 使用的扬声器。 电源要求 也会有些不同。 二者都可以直接 由电池供电。 不过您会发现 仪表组这种情况更多, 它既可以使用电池, 有时还会使用不到 5 伏的 电压轨,因为音频输出 对电源要求不 那么高。 现在,我们将讨论 会影响音频质量的 参数。 我在这里已经列出了 几个重要参数。 对于 ADC、DAC 和 编解码器,您将 看到,THD-N、 频率响应和 信号链的 SNR 非常重要, 这些参数将在 它们的数据表中指定。 对于放大器, 我们同样看到了有 THD-N, 不过另外我们还需要 考虑输出功率。 这将影响声音 的大小。 PSRR,电源 抑制比。 噗声与嘀哒声。 这是因为您不希望 在器件加电后 听到扬声器 发出声音。 当然还有 频率响应。 不过,扬声器还会 影响另外一个方面。 它的这个重要 参数被称为 声压级。 您会注意到, 衡量总谐波失真和噪声的 THD-N 是编解码器、 ADC 和 DAC 以及放大器 共有的参数。 THD-N 是一个度量 信号失真的 指标。 我们通过输入 正弦波来测量 这个情况,然后在 输出中我们查看 出现多大程度的失真。 那么我们来看看 主基频,以及 该频率的 谐波,除此之外, 再来看一下 存在多少噪声。 我在这里显示的是 削波效果将对您的 THD-N 产生的影响。 所以在顶部的图形中, 我画了一条 好看的正弦波。 这是 THD-N 低于 1% 时的波形。 您会注意到正峰值 和负峰值离 接地和 PVCC 很远, PVCC 是电源。 现在,您开始提高 信号的振幅, 最后您将会 接近电源, 然后您会开始削波。 所以底部是 THD-N 大约 为 10% 时的波形图。 所以在我们的很多 数据表中,您会发现 我们会提到 1% 或 10% THD-N, 输出功率也处于 相应级别。 需要注意的一个 重点是,达到大概 1% 或 10% THD-N 时, 器件已经 开始削波了。 这是您能够 看到的最大功率。 现在,我们说说为什么 失真很重要? 嗯,就像您知道的, 相同的频率, 不同的 谐波水平, 声音听上去可能完全不同。 这里是两个频谱图, 喇叭和竖笛, 都是一样的 音符,但您可以 看到第二、三、 四、五谐波水平 非常不同。 这就是为什么我们的 耳朵能够辨别出 不同的声音。 这里有两个 示例 THD-N 图, 取自我们的一些 D 类放大器数据表。 左手边的图向您显示 THD-N 随输出功率的变化情况。 现在,随着输出功率增加, 就像我们在几张幻灯片之前看到的, 最终我们将开始削波。 您将看到,当我们 达到 1% 或 10% THD-N, 这就是会发生 削波的时候。 现在,在右手边, 一旦我们超过了约 7KHz, 就会看到一些 有趣的事情。 现在,我们关心的 音频频带其实 在 20Hz 至 20KHz 之间。 所以,我们真的不用 太担心超过 20KHz 的情况。 这意味着我们在 进行这些测量时, 我们将 低通滤波器 正好置于大约 20KHz 的水平。 这意味着, 在 7KHz 时, 发生的情况是您的 第三谐波正被过滤。 这时, 您开始看到 这个不稳定的 THD-N 测量值。 所以,您真的无需 担心。 我们重新回到左侧的图, 您将看到 我们观察的是 20Hz、1KHz 和 10KHz 三种情况。 现在,在 10KHz 时, 我们很可能 过滤其第二和 第三谐波。 所以是在到处 跳来跳去。 在我们的很多更新的 数据表中,我们甚至 没有这个 10KHz 图。 1KHz 和 20Hz 要重要得多。 我们在此列出了 系统中的各个失真源。 ADC 首先通常会将其 压缩到 48KHz 带宽,根据 奈奎斯特定理 我们需要将其压缩至 所需频率的两倍。 由于我们关注的是 20KHz 的频率, 那么我们至少 需要在 40KHz 下采样。 我们通常会 选择 48KHz。 在通过 传输和数据 转换器后, 信号到达放大器, 转换器将会有自己的 THD-N, 而放大器则会引入大概 0.01% 到 0.1% 的 THD-N。不过, 需要注意的一点是, 扬声器也是 重要的失真源, 通常会比放大器 和 DAC 加起来 还要多得多。 可能高达 1% 到 5% THD-N。 放大器的最大 输出功率与 它的电源有关, 当然,还有 它的电流限制。 但是,举个例子,如果您的 系统中有 5 伏, 再比如,如果您是 在仪表组系统中, 那么您能够获得的最大 输出功率将会 受到很大限制, 可能是 2 到 3 瓦。 这很因为, 就像我们之前所说的, 随着您增大信号, 您就必须增加振幅 来增加功率, 由于功率是峰值电压的平方 除以 2 倍的负载, 所以,随着 您增加振幅, 最后会开始 迅速进入削波。 所以,对于最大 未削波功率, 您实际上可以 使用我列出的 这些等式计算, 就标绘在这里。 所以 5 伏,得到大约 2 到 3 瓦, 而 10 伏, 则可以提高 一点--大约 12 瓦。 所以重点在于, 您可以使用额定电压 更高的放大器。 您可以继续使用 通常是 5 伏输入的放大器, 您将在只能 使用 5 伏输入的 器件上获得 相当的输出功率。 不过还存在其他一些 优势,我们将在后面讨论。 PSRR 是电源 抑制比, 这是对 电源上存在 噪声这一基本情况的 测量。 我们希望 确保噪声被 过滤出去,不影响音频。 由于我们只关心 20Hz 到 20KHz 这个范围, 因此该示例图表中 仅显示了针对 该范围的曲线, 此示例图表来自我们的一个数据表。 以 TPA3111 为例, 它是一个 D 类放大器, 在约为 300KHz 时开关。 所以通常的做法时,放入 一个 LC 重建滤波器, 将高频噪声 滤出,这对 EMI 和 EMC 确实有帮助。 如果以此为目的, 您需要选择截止频率。 在本例中, 我们选择 28KHz 左右。 这是一个非常常用的数字。 30KHz 左右 则相当标准。 在您选择 截止频率后, 您可以根据这些 设计方程选择 电感器和电容器。 如果您感兴趣, TI 有很多关于 如何设计这种滤波器的 文献,您可以参考使用。 最后是噗声与 嘀哒声, 这对于 D 类放大器 至关重要。 现在,扬声器 不论何时出现某种 中断,都会 出现噗声和 嘀哒声。 现在,基本不可能 完全消除 噗声和嘀哒声, 但是通过适当的定序和设计, 我们可以改善这种情况。 所以我在这里显示的是 标准序列, 将让您的噗声和嘀哒声 达到最低或 最优。 所以,您需要做的 第一件事是提高 待机和静音模式下 器件的电源供电。 现在,我们的大多数 D 类放大器都有 “待机”模式,这将防止 器件进行开关。 “静音”可能是由 D 类 放大器实现的, 也可能是您在 编解码器或 DAC 中实现的, “静音”基本上会将 音频信号降到 0。 所以,首先接通 器件电源, 然后解除器件的 待机状态, 进入开始开关状态, 但仍然没有音频。 最后,您可以 慢慢调高音量,退出静音状态。 接下来,您准备 断电时, 只需完全以相反 顺序操作。 所以,首先减弱 信号,然后 让器件进入 待机状态。 这样您停止了器件开关。 然后您可以 降低电源供电。 SPL 是 声压级, 是对所出现的声波 振幅的测量。 这是一个真正的 扬声器功能。 放大器将根据 振幅,当然还有扬声器负载, 提供一些 输出功率。 这就是您测量 放大器输出的方法。 然后,扬声器将 接收这些功率, 将功率 转化为 SPL。 所以我们的放大器 不会给出具体的 SPL。 这是一个扬声器功能。 现在,我们已经讨论了 所有这些不同的音频参数。 在这里,我们可以将它们 与仪表组和 eCall 重新关联起来。 在仪表组中,所需的 输出功率通常 更低,因为 您实际上只需要 通知驾驶员, 车内未发生 不利情况。 所以我们降低了输出功率。 我们需要足够的 语音保真度, 或仪表组中使用的 任何信号音类型的保真度。 但是,这一质量将会 低于,比如说, 信息娱乐系统 需要的质量水平。 对于 eCall,这是 语音对话。 大多数失真的出现 是由于语音压缩。 同样,您需要的音频 质量由于要照顾 执行的语音识别,而大大低于 音乐需要。 通常在这个系统中, 您需要稍高一点的输出 功率或 SPL,因为 车内可能会发生 不利情况, 您需要能够 在事故发生时或发生后 与可能是驾驶员, 也可能是乘客的 人员对话。 现在,我们进入到 诊断和保护主题。 通常在汽车内, 音频系统将 远离实际的 扬声器。 这意味着 需要使用很长的电线。 在 eCall 系统中, 我们希望在 事故发生后 使用这一系统, 如果这些 电线断开连接 或者有到地面或 电池短路的风险, 那么就会出现问题。 所以对于这个系统, 知道是否发生了 上述故障,如果确认发生, 发生的是哪种故障, 通常很有帮助。 在这个示例中,可以 通知紧急情况响应人员, 汽车发生了某类故障, 车内人员听不到 他们的声音。 现在,实现这个目的 有几种不同的途径。 这里显示的是 一个基本示例: 我们比较基本上 扬声器每一侧的 电压。 我们通过添加 上拉电阻器和下拉电阻器 这个方法,然后,当然还 添加了另一个阻尼分频器, 它充当 比较电压。 当扬声器 完全断开时, 扬声器正极侧 将上拉至 PVCC, 负极侧 将被下拉。 在正常运行时, 正负极侧 均非常接近 PVCC 的一半。 那么,当然,如果 到电池之间发生短路, 二者都被 上拉至 PVCC。 如果到地面之间短路, 则都会被下拉。 当然,这不是 整个图片, 因为在 D 类 放大器内, 将会有一些 电阻在起作用, 这主要是由于 这类诊断必须在 器件处于待机 状态时进行。 所以,在实际播放音频时, 这类比较的效果 并不是很好。 所以您需要对 加电情况进行检查, 并执行这项诊断检查, 查看是否存在什么问题。 当您处于 待机模式时, 会有一些 内部电阻存在。 可能是接地 电阻,甚至是 PVCC 电阻。 您需要跟踪正在 使用的特定 放大器。 现在,我们有了今天的放大器, 它将集成所有这些负载 需求。 它使得设计简化了很多。 比如, TAS5411 放大器 就是一个非常 适合具有这些集成 负载诊断功能的 eCall 和仪表盘 的放大器。 我要说的是, 这可能无法保证万无一失, 但是,如果您不希望 它预先实现, TAS5411 绝对是一个很好的选择。 现在,存在到电池之间发生 短路的特殊情况, 这是因为,根据 系统架构, 您可能会遇到这样的情况: 输出引脚的电压 高于电源输入 引脚的电压, 尤其是电源 可能关闭的 时候。 在这种情况下,您可能 获得 0 输入电压, 然后,当然是在其中 一个输出中获得电池电压。 那么,在本例中, 实际会存在 返向导电, 电流流经 某个驱动器 FET 的 体二极管,反馈至 电源引脚。 这意味着您可能 会在电源输入中获得 高压。 这可能影响系统内的 其他部分。 如果这些部分不能 承受这一更高的电压, 那么,您有可能需要 提供保护。 输入中的这些 需要充电的 大容量电容器将会 造成高涌浪电流。 所以,建议的应对 方法是,首先, 您可以在电源输入中 增加一个二极管。 这将保护 电源中的任何其他部分, 确保不出现 这样的高电压。 然后,您可以并联增加 一个肖特基二极管, 这样可以提供一个 备用电流路径。 现在,您的 电流不是全部流过 体二极管, 多数电流 将流过 肖特基二极管。 当然,您需要 确保 肖特基二极管的 正向电压 将小于驱动器 FET 的 体二极管 这个概念对于 大部分 D 类 放大器都非常重要, 即使它们能够在 电池电压高于 您的电源电压, 随之出现可能 毁坏内部体二极管的 浪涌电流的 情况下检测出 电池短路。 当然,还有一种解决方法 是将您的电源连接到 电池电压。 在这种情况下,如果 输出到电池电压短路, 但您的输入 也是电池电压, 就没有任何问题。 所以诊断和 保护对于 eCall 和仪表组 都很重要。 由于仪表组承担了更多的 安全关键型驾驶员通知, 了解音频系统是否在 正常工作非常重要。 这就是您看到 仪表组存在诊断需求的原因。 在 eCall 中, 它往往是强制性的, 因为事故中可能 发生任何情况。 您不会希望 因电池短路而造成 器件毁坏或过热。 您需要了解是否 存在问题, 以便通知紧急 响应人员,没有人 能听到他们的声音。 接下来,我要 谈一谈效率, 它对于仪表组和 eCall 系统都很重要。 效率的最重要 推动因素是 您选择的 放大器类型。 在汽车内,我们通常 会看到 AB 类和 D 类 放大器。 AB 类从 A 类 发展而来, A 类有着看上去 非常干净的输出波形。 但效率极低。 B 类效率要高于 A 类, 但有非常多的 交叉失真。 所以,我们将这两个概念 合并,形成 AB 类。 这是一种非常 常见的放大器, 用于商用 和一些汽车 应用。 但是存在一些 严重的效率缺点, 我们一会儿就会看到。 D 类则通过使用 MOSFET 级解决了 效率问题。 所以它基本上是 在创建 PWM 信号, 然后我们过滤这个信号获得音频信号。 这里令人叫绝的 地方在于,由于 我们使用 PWM 信号,FET 要么 始终关闭或 完全关闭,要么 完全开启,这样您就不会 在效率非常低的范围内驱动它。 当然,D 类也有 缺点,就是当您 有这个 高频开关时, 您必须对它加以注意, 否则就会出现 EMC 问题。 所以,我想展示一下 为何要选择 D 类--D 类 在涉及到热性能时 有多出众。 这是一个输入为 14.4 伏、负载为 4 欧姆、 输出为 1 瓦的器件。 现在,您将看到 最大温度几乎 达到 100 度。 是 98.28 摄氏度。 这只是对于 1 瓦输出来说。 现在,您为 D 类放大器 准备了相同条件, 14.4 伏电源、 4 欧姆负载、1 瓦 输出,现在您的 最高温度 是 26.72 摄氏度。 这个温度仅稍高于环境温度。 所以这是一个非常非常 大的区别。 那么这对于系统 来说意味着什么? 这意味着,在 AB 类 放大器中, 您将需要 昂贵的散热器, 否则就会出现热问题。 而对于 D 类,您往往 不需要散热器。 效率对于 eCall 和仪表组 系统都非常重要。 在仪表组中,效率之所以重要, 是因为在仪表组模块内 已经有很多在运行的器件, 会产生大量热量, 如若热量再增加, 那将变得难以承受。 所以使用高效的放大器 是一个好选择。 在 eCall 中,D 类几乎 是强制的, 这是因为, 在这种紧急情况下, 您需要能够保持 约 10 分钟的通话, 而且往往需要能够 使用一小块外部电池 保持该通话。 所以在汽车断开连接时, 您不是使用整块 汽车电池。 您必须使用这块 非常小的电池, 而且必须保持 10 分钟的 通话。 所以不能选择效率低的 放大器。 您必须使用 D 类放大器。 我们今天要讨论的 最后一个主题是 针对 EMI 和 EMC 进行设计。 我们已经了解了我们使用的 是 D 类放大器, 现在您必须应对 高频开关噪声问题。 这是 TI 的一个 eCall 设计的 方框图。 这个设计使用 TLV320AIC3104 编解码器和 TAS5411-Q1 D 类放大器。 所以您需要考虑 EMC 的两个点 是离开 eCall 模块的两点, 因为 eCall 模块通常 装在一个金属盒子里。 所以,放大器的输出 将会进入 离 eCall 模块有一定 距离的扬声器, 然后,当然是 来自汽车 电池的电源 输入。 为了处理 汽车电池电源输入, 我们在 TI 设计的 LC 滤波器中使用了 共模扼流圈。 那么对于 D 类 放大器输出, 我们将放入我们的 LC 滤波器。 这个布局对于 EMI 也非常重要。 所以,首先,您的 旁路电容器 需要与电源 非常接近。 其次,您需要 开关节点, 这基本上将是 D 类 放大器的 驱动器输出。 它们需要尽量 保持在较低的水平, 您还需要一个紧密的回路, 电流流过电感器、 电容器到接地, 然后直接回到芯片 电源接地。 这需要在您的布局 中非常紧密地完成。 您可以在这个 TI 设计 以及在我们的 放大器数据表内 看到一个示例。 对于这个 TI 设计板的 辐射发射,我们 实际上有一些测试数据, 可以根据您客户的要求 提供。 该图为我们使用的 试验箱中的 环境图。 绿色--绿线, 然后是最上面的 绿色界限线表示 峰值测量,蓝色 表示平均值, 我们将在下一个图中看到。 所以在此例中, TAS5411 实际上能够 改变其 PWM 开关频率。 测试案例中显示的 是 500 KHz。 您可以看到 500 KHz 时的峰值, 然后您可以看到 第三谐波实际上 在带内,这是我们 关心的区域。 这些是 CISPR 25 界限线。 我们在进行整个 峰值清除后 检查的红点,这要快很多。 然后我们返回, 查看红点和 界限线之间差额最小的 位置。 我们在这些点 重算平均值, 这需要的时间会长一点。 这些平均点需要 在蓝线以下。 所以在此例中,您可以 看到我们通过了 EMC 测试。 最后,我们来讨论一下 一些可以帮助 您进行设计的 其他资源。 第一个是我们为 使用 TAS5411-Q1 D 类 放大器和 TLV320AIC3104 编解码器的 eCall 推出的这个 TI 设计。 这个设计将提供 设计文件、设计指南, 当然还有您需要的 PCB 布局文件。 我们另外还有两个应用手册, 很快就会推出。 这两个手册都用于 TPA3111Q1,这是您 可以在 eCall 系统中 使用的另一个放大器, 第一个手册将展示 如何执行外部负载 诊断。 第二个将展示如何 保护这个放大器 不出现电池短路, 这一内容适用于 我们非常多的 D 类 放大器。

我叫 Clancy Soehren 是德州仪器 (TI) 的应用

工程师。

我在混合信号 汽车部门工作,

今天,我们将讨论 eCall 和仪表组中的

音频子系统。

首先,我想了解一下 这些子系统中每个

子系统的音频架构。

然后,我们来看看决定 音频质量的具体

参数和规格。

现在,这两个系统都 有可能发生故障。

故障发生时,它们都 需要能够保持正常运转,

对于系统来说,了解 发生了什么会很有帮助。

所以我们来看看 诊断和保护。

最后,效率是 关键问题,这是

我们为何讨论使用 D 类 放大器,而不是 AB 类放大器的原因,

然后我们将了解一下 EMI 和 EMC 注意事项,这对于

汽车非常重要。

首先是 音频架构。

这是中档混合动力 汽车中的仪表组

系统的方框图。

仪表组中的音频

通常只是非常基本的声音。

可能只是一个 提示音或蜂鸣声。

对于一些低端汽车, 仍然存在这种情况。

不过由于汽车的电子产品 越来越先进,

我们所面临的 驾驶员通知需求

也变得越来越多。

这正是仪表组内的 音频系统发挥作用的

地方。

现在,可能会有一个 真正的语音通知,

这或许是在驾驶员 开始打盹时发出警告,

或在他们尝试变更车道时 发出警告,如果在

盲区有什么情况, 也需要发出

警报。

所以,为了实现这个 更先进的系统,

我们需要一个 DAC, 然后是 D 类放大器,

然后是扬声器,就像这里 这个金色框中显示的。

对于 eCall,这个系统 看起来要更复杂一点。

现在,紧急呼叫是一个 系统,当驾驶员发生

事故时,eCall 系统 将检测这一情况,

然后自动 拨打紧急

救援服务电话。

所以,它需要能够 推进双向呼叫。

要实现这个功能,通常 必须依靠独立的电源路径。

所以,它既需要能够依靠 汽车电池运行,也需要

能够依靠自己的独立电池 运行,即使是电压在 3.6 到 3.9 伏

的电池组。

所以它的电源路径 较为复杂。

但是,现在我们先只看 音频系统。

为了能够 推进双向呼叫,

我们还需要有 一个麦克风,而且

它必须经过 麦克风前置放大器,

经过音频编解码器、 ADC,还有通往

连接模块的装置。

最后,应答者的 声音将经由

连接模块 进入 DAC,

这将驱动 D 类 放大器,最后

进入汽车内的 扬声器。

这是一个表,我将 在整个演示中

多次展示该表。

它显示了仪表组 与 eCall 之间的

相似点和不同点, 以及所有不同的参数。

我们刚才已经做了 一些介绍。

对于仪表组, 音频源将是一个预录信号。

而对于 eCall,则必须是 双向呼叫。

所以它的音频源是 来自无线模块的

数字输入以及 同一时间来自麦克风且

需要传输至 无线模块的

模拟输入。

音频输出将 经由扬声器,

不过对于仪表组, 您只会听到钟声、提示音

或简短的驾驶员通知。

对于 eCall,则将是 完整的语音对话。

这两个系统通常都 只使用一个通道。

如果是 eCall, 可能能够

使用娱乐信息系统

使用的扬声器。

电源要求 也会有些不同。

二者都可以直接 由电池供电。

不过您会发现 仪表组这种情况更多,

它既可以使用电池, 有时还会使用不到 5 伏的

电压轨,因为音频输出 对电源要求不

那么高。

现在,我们将讨论 会影响音频质量的

参数。

我在这里已经列出了 几个重要参数。

对于 ADC、DAC 和 编解码器,您将

看到,THD-N、 频率响应和

信号链的 SNR 非常重要,

这些参数将在 它们的数据表中指定。

对于放大器, 我们同样看到了有 THD-N,

不过另外我们还需要 考虑输出功率。

这将影响声音 的大小。

PSRR,电源 抑制比。

噗声与嘀哒声。

这是因为您不希望 在器件加电后

听到扬声器 发出声音。

当然还有 频率响应。

不过,扬声器还会 影响另外一个方面。

它的这个重要 参数被称为

声压级。

您会注意到, 衡量总谐波失真和噪声的

THD-N 是编解码器、

ADC 和 DAC 以及放大器

共有的参数。

THD-N 是一个度量 信号失真的

指标。

我们通过输入 正弦波来测量

这个情况,然后在 输出中我们查看

出现多大程度的失真。

那么我们来看看 主基频,以及

该频率的 谐波,除此之外,

再来看一下 存在多少噪声。

我在这里显示的是 削波效果将对您的

THD-N 产生的影响。 所以在顶部的图形中,

我画了一条 好看的正弦波。

这是 THD-N 低于 1% 时的波形。

您会注意到正峰值 和负峰值离

接地和 PVCC 很远,

PVCC 是电源。

现在,您开始提高 信号的振幅,

最后您将会 接近电源,

然后您会开始削波。

所以底部是 THD-N 大约 为 10% 时的波形图。

所以在我们的很多 数据表中,您会发现

我们会提到 1% 或 10% THD-N,

输出功率也处于 相应级别。

需要注意的一个 重点是,达到大概 1% 或 10% THD-N 时,

器件已经 开始削波了。

这是您能够 看到的最大功率。

现在,我们说说为什么 失真很重要?

嗯,就像您知道的, 相同的频率,

不同的 谐波水平,

声音听上去可能完全不同。

这里是两个频谱图, 喇叭和竖笛,

都是一样的 音符,但您可以

看到第二、三、 四、五谐波水平

非常不同。

这就是为什么我们的 耳朵能够辨别出

不同的声音。

这里有两个 示例 THD-N 图,

取自我们的一些 D 类放大器数据表。

左手边的图向您显示 THD-N 随输出功率的变化情况。

现在,随着输出功率增加, 就像我们在几张幻灯片之前看到的,

最终我们将开始削波。

您将看到,当我们 达到 1% 或 10% THD-N,

这就是会发生 削波的时候。

现在,在右手边, 一旦我们超过了约 7KHz,

就会看到一些 有趣的事情。

现在,我们关心的 音频频带其实

在 20Hz 至 20KHz 之间。

所以,我们真的不用 太担心超过 20KHz 的情况。

这意味着我们在 进行这些测量时,

我们将 低通滤波器

正好置于大约 20KHz 的水平。

这意味着, 在 7KHz 时,

发生的情况是您的 第三谐波正被过滤。

这时, 您开始看到

这个不稳定的 THD-N 测量值。

所以,您真的无需 担心。

我们重新回到左侧的图,

您将看到

我们观察的是 20Hz、1KHz 和 10KHz 三种情况。

现在,在 10KHz 时, 我们很可能

过滤其第二和 第三谐波。

所以是在到处 跳来跳去。

在我们的很多更新的 数据表中,我们甚至

没有这个 10KHz 图。

1KHz 和 20Hz 要重要得多。

我们在此列出了 系统中的各个失真源。

ADC 首先通常会将其 压缩到 48KHz

带宽,根据 奈奎斯特定理

我们需要将其压缩至

所需频率的两倍。

由于我们关注的是 20KHz 的频率,

那么我们至少 需要在 40KHz 下采样。

我们通常会 选择 48KHz。

在通过 传输和数据

转换器后, 信号到达放大器,

转换器将会有自己的 THD-N, 而放大器则会引入大概 0.01%

到 0.1% 的 THD-N。不过, 需要注意的一点是,

扬声器也是 重要的失真源,

通常会比放大器 和 DAC 加起来

还要多得多。

可能高达 1% 到 5% THD-N。

放大器的最大 输出功率与

它的电源有关, 当然,还有

它的电流限制。

但是,举个例子,如果您的 系统中有 5 伏,

再比如,如果您是 在仪表组系统中,

那么您能够获得的最大 输出功率将会

受到很大限制, 可能是 2 到 3 瓦。

这很因为, 就像我们之前所说的,

随着您增大信号,

您就必须增加振幅 来增加功率,

由于功率是峰值电压的平方 除以 2 倍的负载,

所以,随着 您增加振幅,

最后会开始 迅速进入削波。

所以,对于最大 未削波功率,

您实际上可以 使用我列出的

这些等式计算, 就标绘在这里。

所以 5 伏,得到大约 2 到 3 瓦,

而 10 伏, 则可以提高

一点--大约 12 瓦。

所以重点在于, 您可以使用额定电压

更高的放大器。

您可以继续使用 通常是 5 伏输入的放大器,

您将在只能 使用 5 伏输入的

器件上获得 相当的输出功率。

不过还存在其他一些 优势,我们将在后面讨论。

PSRR 是电源 抑制比,

这是对 电源上存在

噪声这一基本情况的 测量。

我们希望 确保噪声被

过滤出去,不影响音频。

由于我们只关心 20Hz 到 20KHz 这个范围,

因此该示例图表中

仅显示了针对 该范围的曲线,

此示例图表来自我们的一个数据表。

以 TPA3111 为例, 它是一个 D 类放大器,

在约为 300KHz 时开关。

所以通常的做法时,放入 一个 LC 重建滤波器,

将高频噪声 滤出,这对

EMI 和 EMC 确实有帮助。

如果以此为目的, 您需要选择截止频率。

在本例中, 我们选择 28KHz 左右。

这是一个非常常用的数字。

30KHz 左右 则相当标准。

在您选择 截止频率后,

您可以根据这些 设计方程选择

电感器和电容器。

如果您感兴趣, TI 有很多关于

如何设计这种滤波器的 文献,您可以参考使用。

最后是噗声与 嘀哒声,

这对于 D 类放大器 至关重要。

现在,扬声器 不论何时出现某种

中断,都会 出现噗声和

嘀哒声。

现在,基本不可能 完全消除

噗声和嘀哒声, 但是通过适当的定序和设计,

我们可以改善这种情况。

所以我在这里显示的是 标准序列,

将让您的噗声和嘀哒声 达到最低或

最优。

所以,您需要做的 第一件事是提高

待机和静音模式下 器件的电源供电。

现在,我们的大多数 D 类放大器都有

“待机”模式,这将防止 器件进行开关。

“静音”可能是由 D 类 放大器实现的,

也可能是您在 编解码器或 DAC 中实现的,

“静音”基本上会将 音频信号降到 0。

所以,首先接通 器件电源,

然后解除器件的 待机状态,

进入开始开关状态, 但仍然没有音频。

最后,您可以 慢慢调高音量,退出静音状态。

接下来,您准备 断电时,

只需完全以相反 顺序操作。

所以,首先减弱 信号,然后

让器件进入 待机状态。

这样您停止了器件开关。

然后您可以 降低电源供电。

SPL 是 声压级,

是对所出现的声波 振幅的测量。

这是一个真正的 扬声器功能。

放大器将根据 振幅,当然还有扬声器负载,

提供一些 输出功率。

这就是您测量 放大器输出的方法。

然后,扬声器将 接收这些功率,

将功率 转化为 SPL。

所以我们的放大器 不会给出具体的 SPL。

这是一个扬声器功能。

现在,我们已经讨论了 所有这些不同的音频参数。

在这里,我们可以将它们 与仪表组和 eCall 重新关联起来。

在仪表组中,所需的 输出功率通常

更低,因为 您实际上只需要

通知驾驶员,

车内未发生

不利情况。

所以我们降低了输出功率。

我们需要足够的 语音保真度,

或仪表组中使用的 任何信号音类型的保真度。

但是,这一质量将会 低于,比如说,

信息娱乐系统 需要的质量水平。

对于 eCall,这是 语音对话。

大多数失真的出现 是由于语音压缩。

同样,您需要的音频 质量由于要照顾

执行的语音识别,而大大低于

音乐需要。

通常在这个系统中, 您需要稍高一点的输出

功率或 SPL,因为 车内可能会发生

不利情况, 您需要能够

在事故发生时或发生后 与可能是驾驶员,

也可能是乘客的 人员对话。

现在,我们进入到 诊断和保护主题。

通常在汽车内, 音频系统将

远离实际的 扬声器。

这意味着 需要使用很长的电线。

在 eCall 系统中, 我们希望在

事故发生后 使用这一系统,

如果这些 电线断开连接

或者有到地面或 电池短路的风险,

那么就会出现问题。

所以对于这个系统, 知道是否发生了

上述故障,如果确认发生, 发生的是哪种故障,

通常很有帮助。

在这个示例中,可以 通知紧急情况响应人员,

汽车发生了某类故障, 车内人员听不到

他们的声音。

现在,实现这个目的 有几种不同的途径。

这里显示的是 一个基本示例:

我们比较基本上 扬声器每一侧的

电压。

我们通过添加 上拉电阻器和下拉电阻器

这个方法,然后,当然还 添加了另一个阻尼分频器,

它充当 比较电压。

当扬声器 完全断开时,

扬声器正极侧 将上拉至 PVCC,

负极侧 将被下拉。

在正常运行时, 正负极侧

均非常接近 PVCC 的一半。

那么,当然,如果 到电池之间发生短路,

二者都被 上拉至 PVCC。

如果到地面之间短路, 则都会被下拉。

当然,这不是 整个图片,

因为在 D 类 放大器内,

将会有一些 电阻在起作用,

这主要是由于 这类诊断必须在

器件处于待机 状态时进行。

所以,在实际播放音频时, 这类比较的效果

并不是很好。

所以您需要对 加电情况进行检查,

并执行这项诊断检查, 查看是否存在什么问题。

当您处于 待机模式时,

会有一些 内部电阻存在。

可能是接地 电阻,甚至是 PVCC 电阻。

您需要跟踪正在 使用的特定

放大器。

现在,我们有了今天的放大器, 它将集成所有这些负载

需求。

它使得设计简化了很多。

比如, TAS5411 放大器

就是一个非常 适合具有这些集成

负载诊断功能的 eCall 和仪表盘 的放大器。

我要说的是, 这可能无法保证万无一失,

但是,如果您不希望 它预先实现,

TAS5411 绝对是一个很好的选择。

现在,存在到电池之间发生 短路的特殊情况,

这是因为,根据 系统架构,

您可能会遇到这样的情况: 输出引脚的电压

高于电源输入 引脚的电压,

尤其是电源 可能关闭的

时候。

在这种情况下,您可能 获得 0 输入电压,

然后,当然是在其中 一个输出中获得电池电压。

那么,在本例中, 实际会存在

返向导电, 电流流经

某个驱动器 FET 的 体二极管,反馈至

电源引脚。

这意味着您可能 会在电源输入中获得

高压。

这可能影响系统内的 其他部分。

如果这些部分不能 承受这一更高的电压,

那么,您有可能需要 提供保护。

输入中的这些 需要充电的

大容量电容器将会 造成高涌浪电流。

所以,建议的应对 方法是,首先,

您可以在电源输入中 增加一个二极管。

这将保护 电源中的任何其他部分,

确保不出现 这样的高电压。

然后,您可以并联增加 一个肖特基二极管,

这样可以提供一个 备用电流路径。

现在,您的 电流不是全部流过

体二极管, 多数电流

将流过 肖特基二极管。

当然,您需要 确保

肖特基二极管的 正向电压

将小于驱动器 FET 的 体二极管

这个概念对于 大部分 D 类

放大器都非常重要, 即使它们能够在

电池电压高于 您的电源电压,

随之出现可能 毁坏内部体二极管的

浪涌电流的 情况下检测出

电池短路。

当然,还有一种解决方法 是将您的电源连接到

电池电压。

在这种情况下,如果 输出到电池电压短路,

但您的输入 也是电池电压,

就没有任何问题。

所以诊断和 保护对于

eCall 和仪表组 都很重要。

由于仪表组承担了更多的 安全关键型驾驶员通知,

了解音频系统是否在 正常工作非常重要。

这就是您看到 仪表组存在诊断需求的原因。

在 eCall 中, 它往往是强制性的,

因为事故中可能 发生任何情况。

您不会希望 因电池短路而造成

器件毁坏或过热。

您需要了解是否 存在问题,

以便通知紧急 响应人员,没有人

能听到他们的声音。

接下来,我要 谈一谈效率,

它对于仪表组和 eCall 系统都很重要。

效率的最重要 推动因素是

您选择的 放大器类型。

在汽车内,我们通常 会看到 AB 类和 D 类

放大器。

AB 类从 A 类 发展而来,

A 类有着看上去 非常干净的输出波形。

但效率极低。

B 类效率要高于 A 类,

但有非常多的 交叉失真。

所以,我们将这两个概念 合并,形成 AB 类。

这是一种非常 常见的放大器,

用于商用 和一些汽车

应用。

但是存在一些 严重的效率缺点,

我们一会儿就会看到。

D 类则通过使用 MOSFET 级解决了

效率问题。

所以它基本上是 在创建 PWM 信号,

然后我们过滤这个信号获得音频信号。

这里令人叫绝的 地方在于,由于

我们使用 PWM 信号,FET 要么

始终关闭或 完全关闭,要么

完全开启,这样您就不会 在效率非常低的范围内驱动它。

当然,D 类也有 缺点,就是当您

有这个 高频开关时,

您必须对它加以注意, 否则就会出现 EMC 问题。

所以,我想展示一下 为何要选择 D 类--D 类

在涉及到热性能时 有多出众。

这是一个输入为 14.4 伏、负载为 4 欧姆、

输出为 1 瓦的器件。

现在,您将看到 最大温度几乎

达到 100 度。

是 98.28 摄氏度。

这只是对于 1 瓦输出来说。

现在,您为 D 类放大器 准备了相同条件,

14.4 伏电源、 4 欧姆负载、1 瓦

输出,现在您的 最高温度

是 26.72 摄氏度。 这个温度仅稍高于环境温度。

所以这是一个非常非常 大的区别。

那么这对于系统 来说意味着什么?

这意味着,在 AB 类 放大器中,

您将需要 昂贵的散热器,

否则就会出现热问题。

而对于 D 类,您往往 不需要散热器。

效率对于 eCall 和仪表组 系统都非常重要。

在仪表组中,效率之所以重要, 是因为在仪表组模块内

已经有很多在运行的器件, 会产生大量热量,

如若热量再增加, 那将变得难以承受。

所以使用高效的放大器 是一个好选择。

在 eCall 中,D 类几乎 是强制的,

这是因为, 在这种紧急情况下,

您需要能够保持 约 10 分钟的通话,

而且往往需要能够 使用一小块外部电池

保持该通话。

所以在汽车断开连接时, 您不是使用整块

汽车电池。

您必须使用这块 非常小的电池,

而且必须保持 10 分钟的 通话。

所以不能选择效率低的 放大器。

您必须使用 D 类放大器。

我们今天要讨论的 最后一个主题是

针对 EMI 和 EMC 进行设计。

我们已经了解了我们使用的 是 D 类放大器,

现在您必须应对 高频开关噪声问题。

这是 TI 的一个 eCall 设计的

方框图。

这个设计使用 TLV320AIC3104 编解码器和

TAS5411-Q1 D 类放大器。

所以您需要考虑 EMC 的两个点

是离开 eCall 模块的两点,

因为 eCall 模块通常

装在一个金属盒子里。

所以,放大器的输出 将会进入

离 eCall 模块有一定 距离的扬声器,

然后,当然是

来自汽车 电池的电源

输入。

为了处理 汽车电池电源输入,

我们在 TI 设计的 LC 滤波器中使用了

共模扼流圈。

那么对于 D 类 放大器输出,

我们将放入我们的 LC 滤波器。

这个布局对于 EMI 也非常重要。

所以,首先,您的 旁路电容器

需要与电源 非常接近。

其次,您需要 开关节点,

这基本上将是 D 类 放大器的

驱动器输出。

它们需要尽量 保持在较低的水平,

您还需要一个紧密的回路, 电流流过电感器、

电容器到接地, 然后直接回到芯片

电源接地。

这需要在您的布局 中非常紧密地完成。

您可以在这个 TI 设计 以及在我们的

放大器数据表内 看到一个示例。

对于这个 TI 设计板的 辐射发射,我们

实际上有一些测试数据, 可以根据您客户的要求

提供。

该图为我们使用的 试验箱中的

环境图。

绿色--绿线, 然后是最上面的

绿色界限线表示 峰值测量,蓝色

表示平均值,

我们将在下一个图中看到。

所以在此例中, TAS5411 实际上能够

改变其 PWM 开关频率。

测试案例中显示的 是 500 KHz。

您可以看到 500 KHz 时的峰值,

然后您可以看到 第三谐波实际上

在带内,这是我们 关心的区域。

这些是 CISPR 25 界限线。

我们在进行整个 峰值清除后

检查的红点,这要快很多。

然后我们返回,

查看红点和 界限线之间差额最小的

位置。

我们在这些点 重算平均值,

这需要的时间会长一点。

这些平均点需要 在蓝线以下。

所以在此例中,您可以 看到我们通过了 EMC 测试。

最后,我们来讨论一下 一些可以帮助

您进行设计的 其他资源。

第一个是我们为 使用 TAS5411-Q1 D 类

放大器和 TLV320AIC3104 编解码器的

eCall 推出的这个 TI 设计。

这个设计将提供 设计文件、设计指南,

当然还有您需要的 PCB 布局文件。

我们另外还有两个应用手册, 很快就会推出。

这两个手册都用于 TPA3111Q1,这是您

可以在 eCall 系统中 使用的另一个放大器,

第一个手册将展示 如何执行外部负载

诊断。

第二个将展示如何 保护这个放大器

不出现电池短路, 这一内容适用于

我们非常多的 D 类

放大器。

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  • eCall和群集系统的音频设计 未学习 eCall和群集系统的音频设计

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eCall和群集系统的音频设计

所属课程:eCall和群集系统的音频设计 发布时间:2017.08.02 视频集数:1 本节视频时长:27:45

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  • 对功放方面很感兴趣,感谢分享。 junpeng324 2017-10-28 21:25
  • 不错 潜力变魅力 2017-10-27 15:08
  • 这个我持续关注的,很不错的。 firstblood 2017-08-16 21:30
  • 沙发 cgd 2017-08-11 16:21

题目(单选)

1.TI工业及汽车运用DCDC的主要特点视频中,没有提到以下哪个模块?
2.通过优化PCB layout 有效降低EMI需要定位几个关键步骤?
3.通过控制开关点的Slew Rate有效降低EMI视频中所用是TI哪款芯片?
4.TI工业及汽车系统的低EMI电源变换器设计系列视频中 ,所提到的常见EMI 优化技巧共有几点?
(题目很难么?悄悄告诉你,去论坛活动帖里有小提示哦~)
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