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-Q1D 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。