外部放大器的系统解决方案

大家好，欢迎来到我们 TI的 live training课堂 今天我们的 topic 是外置功放的软件跟硬件实现 先来自我介绍一下 今天由我们两个跟大家一起来做 在线的分享跟讨论我叫Ray 然后是负责这个汽车方面的 模拟现场技术工程师 然后负责模拟器件的一些技术支持 大家好我叫Peter Li 我是负责车载处理器的那个软件支持硬件支持 目前负责TI Jecinto 处理器家族 我们今天的Agenda就先由我来给大家讲一讲这个 硬件架构的实现跟我们TI能够给出的一个 system 的 solution 以后再由Peter来讲一下这个 Jecinto 一个的processor软件 这个架构跟那个功能的实现 今天我们的topic就是这个 external amplifier 就是我们说的那个外置功放是车载的那个外置功放 那么其实它跟我们家用的有什么不同呢 我觉得其实它就是一个行走音乐放送厅嘛 要实现的功能 其实跟家用的有区别也有相同 那么首先相同的点我觉得就是说它能够实现最基本音乐的播放 或者说做一些立体声啊环绕声啊等等 一些这个影音的效果那么，另外一点不一样的地方就是说 它是放在车上的那它就需要一些衍生的一些功能 或者说他需要满足一些延伸的标准 最明显的就是说，它上面的器件，我们都需要 是车载级的器件因为汽车安全性能永远是第一位的 那么基于这个的话，我们会有这个AECQ的标准 对我们这个无源器件跟有源器件都会有我们车载机要求 比普通的消费类要严苛很多主要是在这个耐久 还有这个 稳定性方面去起到很高的要求，那么，另外一点就是说 如果我们的外置功放是放到车上的话，它除了实现我们 比如说一些常用的音乐播放的功能以外 其实还可以结合，我们汽车的应用场景 来做一些 功能的拓展比如说我们这个这个消噪就是主动 降噪 因为汽车其实是一个运动的环境 它的环境噪声非常多 那你要保证一个良好的这个音乐体验的话 你需要在噪声方面做处理。另外一点的话， 其实它有另外一点的话。它播放呢，可能就是不是音乐 那么在某些应用场景下，它可能需要满足一些 比如说我们的新能源车没有了发动机所以说 这从安全上的考虑我们就需要用一个外置的 功放或者说类似的一个小的 module去做一些 ESS 应用 就是说模拟发动机声音 然后去用于提醒我们那个车周围的行人啊或者周围的一些设施 然后来提高安全性能 这个是我理解的这个external amplifier 车载机跟那个普通应用的 那个差别跟相同点 OK 这个我们下面就开始这个硬件解决方案的介绍 那么，今天我们的这个agenda，大概就是说我们会从这个整个 外置功放的系统框图开始去看一下基于 TI 理解 我们这个外置功放大概有哪些部份或说 哪些模块 然后我们会了解了这些模块之后再基于 主要的几个模块来看一下在硬件上设计有哪些挑战的地方 然后以及我们 TI可以给出一样一个什么样的解决方案最终 我们对这个我们的硬件方案做一个总结 OK 就是那个 TI. com promote的时间因为我们的TI.com上面其实有非常 完善的资料，跟资源去供大家去搜索学习和讨论 那么对于我们比如说我们这个外置功放来讲 如果你是 如果你是一个新手或者说是一个经验丰富的设计师 其实都可以在我们 ti .com上找到可以让你们那个 就是受用的一些资料啊，我个人觉得然后怎么去找呢 TI其实，将汽车应用分为了四个板块啊 包括 ADAS 包括我们这个 entertainment cluster影音娱乐和这仪表盘 包括我们的 power tree EVHEV 然后我们的external amplifier 其实在我们的entertainment cluster 这个大的应用底下 就是我们车载娱乐跟那个仪表盘的一些应用 它也分过七个子模块包括仪表盘显示 然后我们的这个 t box， 然后我们的智能座舱 还有车机然后还有那个 那个媒介的接口最后的话，就是我们今天要讲的这个 external amplifier 其实它就是一个这个车载的高级音响 高级音响上面其实，我们也分了三大类 第一个的话，就是after market 这个其实是后装市场的 一些 audio 然后第二个的话就是我们刚刚讲过的ANC 主动的降噪 那么第三个就是我们主要讲的这个车载的外置功放 OK 那么，我们点进去，这个车载外置功放的话 可以到我们这个里面一个比较丰富的一个页面 页面里面我觉得最重要的就是我们有一个 EERD就是我们说的那个 reference design的block diagram 然后这里其实是就是我们 ti 对这个外置功放 整个系统的一个理解我们认为 这个系统需要包括一些什么样的大模块都会放到里面 这些大模块里面会有哪些小模块或者说有哪些device就器件 我们也会在里面列出来然后比如，你选择了这个 一级电源的一级供电那在我们的右边就会 同样link出来我们的 reference design 对于这个一级供电，我们有哪些参考设计 然后同时，您点的旁边还会有我们对应的一个产品 其实这个都可以让大家可以快速的去一级一级的剖分 从我们这个整个系统然后到我们的这个模块 到我们的器件集去做一个搜索 或者说 学习 跟讨论 所以我觉得这个TI. com 是一个非常好的东西 大家也可以在这个平台上面去做一些讨论跟反馈 因为我们有这个工程师的论坛在上面可能你可以找到 很多工程师的的发问还有我们这个 t i 工程师 一些回答对于你们遇到的类似的问题在上面搜索一下 看一下有没有前人或者那个同行已经提到了 我们就可以快速地在上面找到答案 那么我们进入到这个block diagram 系统框图的一些讨论 那其实这个器件很多所以我会把这个block diagram 简化成 这么一个框图 然后我们对某一个子模块 我们在往下去细讨论这个就是对 external amplifier 我们TI觉得它的一个block diagram 可以看到最基础的所有的issue 都需要用到就是我们的 power tree 然后这就是我们整个供电了 大概需要两个部分 一个的话，就是给我们里面的 ic 供电 就是板上的一些器件，另外一个就是我们这个 power amplifier 就我们对这个功放的一些功率的供电其实也是在这个 power tree里面要实现的 那么功能性的就是下面这些模块 首先，我们可能需要一个 processor 这个后面下面的话 Peter会给大家详细的去看一下我们TI还有这个 processor需要实现的功能就是它最主要的话 就是说，在一个就是我们 external amplifier 一些控制的一些处理 另外一个就是我们对音频信号 一些处理 嗯然后基于这个processor的话 实现这个 amplifier 的功能 那我们可能就需要这个音频的输入跟输出 那我如果对于模拟类的音频来讲，那我们的需要一个 ADC 去作为一个 输入就采集一下模拟的一些音频的信号跟音频的那个数据 如果是对一些数字类的话，我们可能更多的需要通过一些 数字的 interface 接口去做，那么这种接口 就非常丰富了有比如说业界很多的 a to b 或者说，用以太网啊或者说，用那个 I2S等等就是或者TTI 对吧这种就是很丰富的这个音频接口 我们专门是用来做这个数字的音频传输 OK 那我们接收了这些音频数据之后 经过处理那最终需要把它外放到那个 speaker 上面去那这个也是分两类的输出路径 如果你是一个模拟的输出那我们可能就需要 一个DAC 因为processor处理的是一个数据的信号 那我们要把它通过 DAC 还原成我们这个模拟信号 再驱动，我们这个模拟输入的功放 然后如果你是数字那个音频信号的话 那我们就直接通过这个digital的 interface 驱动 大部分而言就是那个PDM I2S啊等等的一些方式 然后 最后就是如果 我们要需要驱动外面的一个 speaker 那其实直接用我们的dac或processor 是没有办法满足这样的功率要求所以中间的话 我们是需要一个功率放大器就我们经常说的那个功放 那么功放的类型也有几种包括 class c，class b，class ad 还有class c还有就更专业的 hg 或者git 但是我们在汽车里看到比较多的就是我们那个 class ad 跟class c两类 ad类还有d类的功放这个通过这个功放的话 我们就可以把我们输入的这个模拟信号 数字音频信号也好进行一个功率的放大 同时，去驱动，我们这个外界的一个speaker 然后 去外放出声音 OK 这个就是我们整个音频路径的一个 就音频数据的一个处理路径 除了这个之外，大部份的 external amplifier作为一个 控制器来讲，它还需要一个 MCU MCU更多的是做一些这个 控制器层级的一些就是比如说 唤醒啊 比如说这个监控啊电压监控啊，电流监控啊 还有做一些这个逻辑的控制比如说我这个抛弃它启动 这个上下电势那个顺序的 所以这个东西都是通过 MCU去做这个实现 OK 这个就是整个的大的一个系统框图 那么，我们可以往下去，大概展开的讨论一下 第一个就是我们的power tree power tree 它有两个输出 一个的话，我们理解啊，就是对板内控制器的一个控制 对板内的这个 device 器件的一些供电 一个的话，就是对我们外部的 audio power的功放的供电 它需要的可能电压比较大啊 电流比较大 简单说就是功率需要比较大然后板内供电的话 相对功率要小一点就可以了 那么按照我们的理解 其实 这个也可以分为两个部分一个部分 我们觉得他是一个一级电源就是 我们这个off battery power 一个的话，就是我们的二级电源 那我们可能这里写的system power 一级电源更多的是直接 跟电池去相连的模块 然后，它要实现几个功能 一个的话，就是我们要做这个防反的保护 因为对于车载来说，那个车载控制器来说 它是直接接电池的所以防反的保护就是它一个必须的功能 我们知道我们在使用的过程把电视这个线给拔下来 然后万一你装反了，也要保证我这个整车上来说 控制器都不会被打坏虽然它不能正常工作， 但是它不能被损坏所以这就是一个防反接的保护功能 然后第二个的话就是对于这个电池电压的话 如果是一级电源来说，它需要去满足电池电压的一些应用场景 或者说是特殊的需求包括我们所常说的这个 跨线启动十二伏的系统可能有可能接到二十四伏卡车 卡车系统去就跨线系统 就是当你电池匮电的时候我，我把卡车拉过来从它的电池直接 接到我们的电池上那就二十四伏接到十二伏的系统 这个时候我们也要保证这个短时间内 我们这个供整个这个车载的 控制器去工作正常 就是比如说（听不清）就是我们的冷启动 在冷启动的时候电池电压它会掉的比较低 会向下有一个[听不清]比如十二伏typical的电压 它可能掉到 4. 5 伏左右 这个时候一些需要在启动过程中完成的功能 或者那个需要在启动过程中，工作的控制器 那也是需要支持这么低的电池电压下面 它能够正常工作的再比如说就是那个 low down 就是我们这个电池掉掉了之后，然后那个发电机 直接接到我们的控制器上这个时候，它其实有一个 那个瞬间有一个比较大的（听不清）然后因为大电容掉了吧 那这个时候的话，它那个电压可能是冲到了三十几伏 所以说我们这个一级电源最大的电压综合起来 它是需要支持到三十六伏到四十伏左右 这么一个量级去保证它能够满足这个一级电源要求 所以 Wide Vin就是我们定义大概三十六到四十伏 最大输入电压的那个电源器件 OK 那一级电源的话，我们也会有不同的需要 一个的话可能是如果你支持 那可能你需要一个 boost 就我们说的一级的升压 那正常情况下，你需要把这个十二伏 经过一级电源 电压往下转因为我们知道我们器件芯片大部分 大部分都是低压供电所以说一级电源一般来讲 我们可能会转到五伏六伏或者 3. 3 伏 后这个时候就需要Wide Vin的buck 去完成这个一级电源的降压 还有还有很多就是这个switch啊，还有 LDO 的话 作为一级 也有特殊应用 比如说 刚刚我们提到这个 MCU，它是一个要实现唤醒的功能 换言之，就是说它要在这个控制器休眠的过程中 还要保持供电因为有电我才能完成我这个工作 完成我们这个信号的监控那么这个时候，我们大部分来说 就会用一个一级的LDO 去给这个 Stand by MCU 进行的供电 因为它需要的电流比较小 所以 这个压降就voltage drop 乘以这个电流其实在 LDO上面这个也是可以接受的 另外一点就是相对而言，它的那个静态电流比较小 可以做到比较小，所以能够有效的保证我们这个电池 长时间的能够在我们不开车的时候 尽量能够长时间的保持这个电频 OK 这个是一级的 这个是我们的一级电源那么第二的话就是我们的二级电源 一级下来，5伏 6伏或者 3. 3 伏之后其实还需要一个二级电源 往更小电压去降 因为我们知道我们的 processor 是一个多轨供电的器件 它需要的电频可能是非常丰富的包括 3. 3 伏然 然后 2. 5 伏 1. 8 伏1.25伏， 因此，这个时候，我们就需要一个二级的 电源器件把，我们一级的 那么二级的器件就是也有很多包括我们可能会用 buck可能会用 ldo 也可能用到后机的 boost 也可能用到我们的buck boost 结构 那么，它们二级一个最共通的一个特点 就是说，它的输入电压不需要像一级那么高了 像TI的话，它会定义成两类一个就是我们叫做 Mid Vin 大概的电压就是输入电压就是二十伏以下 然后还有一个就是low Vin low Vin器件的话 我们的输入大概会在 然后，其实，你这个输入电压越低 在工艺上，要求就会相对低一点 所以那个成本可以降下来，这也是为什么我们会分一级二级电源的原因 第一个是成本可以降下来第二，就电源架构就是更丰富 然后更有那个稳定性 OK 这个是我们看到的一个 system 供电 但对于 processor 来说我们也会有这个对应的PMIC 就是 power management ic 它单路的输入输出就可以输出满足我们这个 processor 供电或者说系统供电的多路的输出 OK 再一个我们看一看就是这个Codec ADC DAC 都是我们这个音频的 音频线路上的一些应用器件就是首先的话就是我们刚刚说的 音频输入如果是模拟输入它需要我们这个 adc 去把这个模拟的 音频信号转化成我们数字信号 那数字的音频信号才能被我们的 processer去进行处理 对于TI 我们也有这个单纯的 audio 的 adc audio的 adc 跟一般的adc 可能就是在某些性能上 它需要满足 audio 的一些应用要求 比如说它采样率 可能要到如果你是采样人声的话 那可能就是8k 就 ok 了 但如果你是采样比如说背景音乐噪声啊等等一些频段比较宽的 那么一个音频范围的话您可能需要比如说， 128 k 啊 196 k 然后或者 384 k 等等 第二个就是我们的 dac ， dac 的话就是把我们 数字音频信号传输转换成我们的analog信号 然后往外输 它有可能不给那个我们的power 对 有可能也会输给我们其它的一些控制器 去做这个音频信号的交换 那么 dac， 我们也会有丰富的 audio dac的那么一个产品 其实，因为这个在音频这两块在音频上面其实应用都是比较普遍 所以市场上也会有很多产品把这两块集合在一个 ic 里面 就是我们叫的Codec就是音频的编码跟解码器 这是也是我们 TI的一类产品 OK 第三个的话，就是我们的 processor processor的话，其实就是它本身的性能 Peter可以会给大家去介绍，那么，我想提到说 就是如果对一个 processor 来说，它可能外围的一些器件也是有很多 就是模拟器件去需要去支持process的一些那个功能 第一个的话，就是电源刚刚已经讲过了那就说的PMIC 所有的那个processor都需要电源 对吧然后另外 processor它在某一轨道上 它可能需要一些这个供电是比较严苛的 需要保证它的性能呢，就需要保证我们的供电 在一定范围内所以在某一些重要的轨道上面 比如说 supervisor 就是我们对电压的一些监控的器件 这个某一个电压轨道出现过压或欠压的时候我们可以提醒 这个系统去做一些比如说复位啊或者其它的一些应对的操作 那么下面一个就是 比如说这个 voltage translator 或者说是我们的 level shift，就是这个电频转换因为 process它的IO口的电频跟我们外面接口的器件的电频 可能是会不一样，比如说 1. 8 跟3.3伏这个时候我们就需要在中间 增加一个电频转换的器件来把一些比如说 I2C I2S 或其它的一些数字通讯信号的电频进行一个转换 完成这个 外界这个 device 的一个正常的通讯 OK 下一个就是MCU 刚刚我们说到这个 MCU 更多是作为一个系统控制器 去实现这个功能 包括对系统做一些监控 包括对这个power tree的上电进行一个上电顺序的管理 监控的话 就是比如说，电流监控跟电压监控等等 它可以通过它自身的 ADC做采样然后去完成这么一个监控 另外一个功能就是它可能需要监控外部的一个weak信号 比如说 ACC啊或者 k 215 等等的 那个整车上的电频信号来去完成对我们整个控制器的 一些唤醒跟休眠的一些操作 后面一个就是我们的 power 的 ic 就是功放 我们功放的话，其实刚刚也提到 在车上用的比较多的呢就是class ad 跟 class d 然后 其实它也分为两类了一个是我们模拟输入的 就可以直接接受这个 analog信号的 然后去把它进行一个这个信号的放大 然后，但也有接受这个数字输入的 I2S 跟TDM 等等格式数字输入 然后完成这个功率的放大 对于这两类我们TI都会有对应的class d产品 去提供给大家 OK 那个就是我们过了一遍，我们这个block图 就是大概我们看到这整个外置功放 它有哪些模块，然后每个模块里面大概有一些什么样类型的器件 下面的话，我们选了三个模块给大家一起去再看一下我们的TI的 solution 一个的话，就是我们这个 boost power supply with tracking 就是我们这个运放的功率及供电以后是带这个跟随功能的 那么第二个是我们那个ADC/DAC跟 Codec 就我们刚刚说的这个音频 信号链上的 一些关键器件 最后一个就是我们的 class d， class d d类功放