面向 BT 扬声器 / WIFI 的音频解决方案与完整的参考设计

大家上午好，我是南京地区的 FAE 我叫李朝 Joyi 然后今天我给大家讲的这一部分 是 TI 在蓝牙和 wifi 方面的功放的方案 其实大家刚进来的时候会看到一些demo 就是包括这里比较小的蓝牙音箱 还有这个大一点的红颜色的 wifi 的音箱 过会茶歇，或者中午吃饭的时候 大家可以过去听一下这两个效果 就是他们实际上都是无线的一些音响的方案 然后说到蓝牙或者 wifi 音响的话 其实他们的功放的需求也类似 我想主要的话可能大家会提一些指标 比如说静态功耗的要求 或者是 EMI 的性能 因为无线传输的时候 往往要防止 D 类功放的 PWM 调制对蓝牙或者 wifi 通讯的影响 其实主要的话就是刚才讲的这两种 还有比如说包括要求比较低的这个供电电压 因为我们有时候可能需要一节或者两节的锂电池来供电 所以它的供电范围也是一个经常要考虑的参数 然后 TI 在蓝牙或者 wifi 方面的功放 其实在设计和开发的时候都考虑到了这些因素 这个是我们蓝牙音响的一个主要的 road map 然后左边大家可以看到 TPA3118 TPA3130 这些 我想大家应该或多或少要么用过 要么有所耳有所耳闻吧 然后就是按照功率来分的话从小到大 然后按照输入来分的话有模拟和数字 就是 I2S 的输入 然后我今天给大家主要介绍的是 TI 新推出来的几款功放 模拟输入的话主要是 TPA3140 3144 还有 TPA3150 3151 然后数字输入的话是 TAS5720 系列 首先介绍 TAS5720 其实从这个照片上大家可以看到 整个其实 5720 的特点就是很小实际上 因为整个 BOM PCB 板加上外围电路加起来 和这个 1/4 美金的硬币是一样的 实际上就相当于我们一块钱硬币这么大 所以它的特点就是集成度高 然后省成本省 BOM 然后它是单通道输出的 15W 的功放 而且它里面采用了特殊的 PWM 的调制方式 所以它不需要外部的滤波的电感了 下面会介绍一些具体的特点 它的输入除了传统的 I2S 输入以外 它能支持单线制的 TDM 的输入 然后 4mm×4mm 的 QFN 的小封装 包括低到 4.5V 的电池的供电 比如说两节的锂电池都是可以直接使用 还有很低的噪音 包括它可以支持到 16 个 5720 的串接 就像菊花链方式放在一起 这样的话在分布式的应用里面是很好的 这页 PPT 实际上是对刚才讲到的那些特点的一个总结了 比如说支持 I2S 或者 TDM 还有很高的集成度 外围 BOM 比较小 然后包括输出的频率可调 这样的话可以避开 就是它的高次谐波可以避开你蓝牙或者 wifi 通讯的那个频段 然后 4mm×4mm 的 QFN 的封装 包括闭环的设计 功率级闭环的设计可以提高 比如说 PSR 这些方面的性能 还有比较宽的供电范围 这一页是 5720 的一些具体的技术指标 其实大家可以通过登录 TI 的官网下载数据手册 可以看到这些数据 可以看到它的 THD+N 还有包括噪声 这些都是很小 而且它的输出功率级 MOSFET 的导通阻抗只有120mΩ 这个是 5720 的一个封装 它这个封装其实设计得很合理 就是说我们如果看这个封装最右边 最右边它是上面是 SPK_OUT+ 下面是 SPK_OUT- 然后接下来是两个连接自举电容的引脚 在中间是 GND 就这样的设计对于我们 PCB 布板 然后让板子更紧凑 其实都是很有帮助的 这个是 TAS5720 的一个典型的原理图 可以看到它那边实际上没有其他东西 就是一些滤波电容 还有两个自举电容 所以它的外围器件是很简单的 右边这个是对于左边的话 就是最下面有一个电阻的选择网络 实际上就是为了控制 具体某一个 TAS5720 的地址用的 就是通过设置这里电阻不同的值 可以给某一个 TAS5720 的一个具体的地址 因为它可以支持到 16 个器件的串联 这页 PPT 是 TAS5720 的谐波失真加噪声的特性 左边是它和输出功率的一个对应关系 可以看到在输出功率很小的时候 可能受噪声的影响有一些 然后在我们使用的比如说 5W 到 15W 输出的这个范围之内 实际上 THD+N 的性能是非常好的 在 0.01% 左右 右边这个图是 THD+N 和频率的一个对应的关系 在整个运行范围内 就是在 6K、7K 这个点达到最大 最大的时候 THD+N 也只有0.05% 所以它的指标还是非常优秀的 刚才谈到的 TAS5720 它是单通道输出 然后我们还有 TAS5760 它是双通道输出 就是其他的性能和 TAS5720 也是比较类似的 刚才介绍的是我们的数字接口的功放 然后下面介绍一下我们模拟接口的功放 TPA3140 和 TPA3144 其实大家如果使用或者是看过 我们 TPA3131、TPA3132 这些芯片的话 其实 TPA3140、TPA3144 的性能和 TPA3131、3132 类似 但是有所提高 而且增加了一些特殊的功能 比如说它完全实现了支持无电感的设计 就是你的输出完全可以不加磁珠或者是电感 然后它加入了一个无谐波的自动增益控制的功能 包括它有很低的静态的损耗 还有各种保护等等 这个后面会讲到 然后 TPA314 系列有两款芯片 一个是 3140 就是 2×10W，一个是 3144 2×6W 它们也可以支持 PBTL 的连接 这个是 3140 的特点 首先是这里提到的支持无电感的设计 这个实现方式是有两个设计的时候的考虑来实现 首先是使用了展频的技术 就是说我们传统的 PWM 调制可能是固定在某一个频率点 然后我们使用展频的技术 就是让 PWM 的调制频率实际上是可变的 那这样的话把一个固定在某个频点的谐波 相当于分散在不同的频点 让它的能量产生了分散 这样的话它在 EMI 的性能就有所提高 第二点是它采用了一种叫 SPWESPW 的这样一种 PWM 调制方式 和传统的比如说 AD 或者传统的 BD 的 PWM 调制方式相比 它的纹波要小一些 这样的话 在电感在喇叭的等效电阻上面造成的损耗要小一些 所以也可以作为省略掉电感的一个因素 然后第二个特点是无削波的自动增益控制 这个后面会有一页 PPT 专门来讲 第三个特点就是它的供电范围 它支持低电压的供电 可以到 4.5V 这个是对前面讲的那些特点的一个总结 包括不需要散热片 就是比如说 2×10W 的输出 两层 PCB 板就完全可以满足 不需要外加散热片 然后无电感的设计 很低的输出噪声、比较宽大的供电电压范围 增强 EMI 性能 包括 Speaker Guard 喇叭保护 我们 Speaker Guard 除了传统的过温过流 还有直流输入的保护以外 就是我们把削波 削波就是刚刚才讲到的无削波自动增益控制 也作为 Speaker Guard 来这里来一起讲 还有比较优秀的信噪比、谐波失真和串扰的工艺 它也支持 BTL 和 PBTL 刚才讲到 EMI 这里是 TPA3140 的一个 EMI 的测试的情况 可以看到这里有两条测试出来的结果 就是紫色的这条线和绿色的这条线 然后上面是我们一般使用的 FCC 的 EMI 的测试的标准 可以看到，不管是峰值功率还是这个平均功率 它们的 EMI 性能都是很好的 就是远远满足这个标准的要求 这里讲一下刚才提到的无削波的自动增益控制 以这个波形为例 就是比如说我们给一个输入信号 它的值是 2V 的有效值，然后在某一时刻 我们把增益设为 10 倍，就是这个 20dB 然后我们可以看到在刚开始的时候 它会有一个很大的放大 然后就会有一些失真 然后我们 TPA3140 会检测是否削波或者说是否失真 如果一旦发现，然后马上自己把增益往下调 然后调到什么时候，就是它会设一个门限 调到我们那个门限值的时候 它会让这个增益保持下来 所以就是说是可以实现无削波 这样的话输出一方面保护了喇叭 另一方面也让谐波失真变得小一些 这个是我们我们一个参考设计 外边有 demo 就是这个 demo 过会大家可以去听一下 这是它的一个框图 它里面使用了 TI 自己的蓝牙模块 包括 CC2564 输出经过一个我们的 DAC PCM5100 然后和普通输入的 AUX 信号一起 在 PCM3070 这个是我们的一个带miniDsp的 codap 在里面可以做一些音效的处理 然后把最后的信号可以通过刚才讲到的 TPA3140 来输出 这个板子就是刚才大家看到那个 demo 里面的一个 PCB 板 具体的布板的情况 我们应用于蓝牙的模拟输入的功放 就是除了刚才讲到的新推出来的产品以外 我们还有 TPA3131 这个因为推出来也有一段时间 它的功率和刚才讲到 TPA3140 类似 然后效率也比较高 静态功耗也比较小 除了刚才讲到的传统的比如说两节锂电池 或者 4.5V 的供电以外 我们还有正在研发的 就是可能今年四季度会推出的一个集成了 boost 的功放 叫 TPA3150 或者 TPA3151 它们的功率不一样 然后我们可能在一些蓝牙音箱里面只有一节锂电池 三点几伏最高 4.2V 的供电 然后这个时候可能我们 4.5V 的电压也不够低 往往需要外边再加一个升压电路 那这样的话一方面占面积 另一方面增加了成本 所以有时候我们会考虑选择一个 把升压电路集成在芯片里面的功放 实际上 TI 已经有这样的功放叫 LM48511 但是呢只有一颗 而且功率也不够大而且是单通道的 所以 TI 针对这个市场也是开发了 TPA3150 它也是支持无电感 然后支持无削波的自动增益控制 也是闭环的功率级 较高的 PSR 的性能 最低的电压输入可以支持到 2.8V 它内部升压电路的效率可以达到 95% 功放的效率可以达到 90% 所以对于如果说大家有单节锂电池这样的应用的话 可以考虑我们这个芯片 就是它也支持 PBTL 的连接方式 就是说虽然说它是双通道的 但是如果大家需要单通道输出 然后需要功率大一些 可以把它接成 PBTL 的方式 我们当初考虑开发这个芯片有一个原因 也是因为我们发现有一个 友商的芯片在市场上卖得很火 叫 CS8533 这个芯片实际上和 CS8533相对比的话 各项指标都是有所提高的 比如说输入电压的范围 我们可以低到 2.8V 然后输入可以到 14.4V 然后静态电流可以看到是 2.7μA 也是很有优势 包括 RDS(on) 还有热阻 可调的工作频率还有效率 这些方面优势都是很明显的 就是实际上针对 TPA3150 我们也有一个参考设计 前面讲了 TI 在蓝牙方面功放的一些方案 下面给大家讲一下在 wifi 方面的方案 这里这里这个红颜色的 wifi 音箱 其实过会儿大家也是可以看到 也可以试听一下它的效果 就在外边 其实蓝牙和 wifi 的话在功放方面差别其实是不大的 但是 TI 内部在分开这两种应用的时候 是按功率来分的 可能就稍微小一点功率的音响 我们把它归为蓝牙 然后稍微大一点功率的功放 我们把它归于 wifi 实际上不是这么决定 针对 wifi 的话 如果功率比较小 刚才讲的那些也都可以用 然后这里可能主要讲一下我们的 3132 3118 还有 5754 5766 这些东西 首先是 TPA3132 前面讲到过 TPA3131 然后 TPA3132 和 TPA3131 是可以兼容的 然后它的功率要大一些 就是说大家在设计产品的时候 如果刚开始选用了 3131 后来发现要扩大功率 那可以直接换到 3132 其他的性能指标都和 3131 是类似的 然后数字接口的比较大功率的功放 用于 wifi 的主要是 TAS5754 或者 TAS5756 它里面集成了七种混合的算法 其中有两种算法是专门针对便携式的这种音响的应用 举个例子 它里面有一种算法叫做低音的谐波增强 就说我们在增强低音的时候 比如说低音增强喇叭坏掉了 然后这个 5754 里面其中有一种算法 可以只增强输入低音的谐波 然后把基波缩小或者是保持 这样的话 因为人耳听到的低音实际上是由两部分构成 一部分是本来的低音的基波 还有一部分是低音的谐波造成的音效 所以我们相当于放大这种谐波的音效 然后让人耳听到的这种低音的效果还在 同时呢又保护喇叭不被低音的基波所损坏 这个只是其中的一种算法 它的功率这些 就是它本来是 2.0 然后也可以支持 PBTL 后面我们会有专门的 FAE 来讲这部分 还有就是我们的 Smart Amp 5766 和 5768 就是前面 Leon 也讲过 它主要有两个好处吧 就是刚才 Leon 讲到了音效 还有对喇叭的保护 实际上它也有就是保护喇叭的同时 它也有低音增强的一个功能 这一部分后面也会有专门的我们的同事来讲解 这个是 Smart Amp 的一个框图 它是基于前馈和反馈两种方式 我们会测出一个电气的机械的和热的这样的一个模型 然后把这种模型的参数输入到我们的 Smart Amp 里面去 这种输入相当于是一个前馈 然后我们来检测输出作为一个反馈 所以实现低音的增强 包括喇叭的保护 最后给大家介绍一下 TPA3118 这个芯片我不知道大家有没有使用过或者说听说过 因为有个很有名的公司叫博世 他们去年推出来了一款 在业界卖的很火的迷你型的蓝牙音箱 号称是业界音效最好的蓝牙音响 然后反正也是一直被模仿 从未被超越了 它里面用的就是 TPA3118 这个图是刚才大家看到那个红颜色的 wifi 音箱的一个框图 包括里面的这个 PCB 的板级的设计 我这一部分结束了 谢谢大家