TI 中功率音频功放设计概况

大家好！我叫Zhou Ying 是来自TI中高功率音频放大器产品线的 系统经理 主要负责消费类产品的精益 很高兴有这个机会能够和大家介绍.一下 我们这类功放在智能音箱里面的应用 这个是我今天的agenda 会比较快的介绍一下市场的趋势 我们新一代这类功放的overview 再就是 针对功放的一些需求 我会重点介绍我们设备的一些feature 在最后 会给大家一个 比较简单的产品选型表 大家现在看到的是一个典型的 智能音箱的系统框图 在TI的网站上面也可以找到 我用红色的框框 框出了功放的应用场景 其实 TI的功放产品也是非常丰富的 单声道 立体声 多通道 都有 模拟输入 或者I2S 数字输入功放 也都有 像数字输入功放里面 我们也有带DSP的 或者是不带DSP的 带DSP 的处理功能也有不同选择 在智能音箱这块 看到的有几个趋势 一个是 人们对音频的音质需求越来越高 现在越来越多 是8k-96k 甚至是192k 当然也有一些传统的 Wi-Fi speaker 都逐渐的开始加入 语音的功能 再就是看到 输出的power 需求也越来越高 还有 就是一些电池供电的 BT speaker 也逐渐的加了一些语音的功能 再就是在设计外观上面 也越来越追求美感了 那这个是我们以前一些device 在智能音箱里面应用比较多的 大家可能会比较熟悉 我们TI TAS57系列（TAS57系列） 还有我们这个TPA31系列 有一类是数字功放 有一类是模拟功放 像TAS5760，TAS5731/33 都会有一个新的产品 叫TAS5805 在新的这代产品 我们现在主要做的是这么几个方向 一个是 功耗会做下来 大家看到这个绿色的小标标 就是我们现在产品采用的 叫hybrid modulation 为混合调制模式 它达到的效果跟以前的57系列比 比如说 它的Idle loss 就会低很多 再就是 即使在Play power 的时候 它也是动态的调整 所以 可以使整个Speaker播放的时间更长 第二个是 我们采用的是一个闭环的架构 所以 在THD，噪声 包括在电源的抑制上面 都有很大的提升 还有 我们采用了一些 更加先进的EMI reduction 技术 所以 可以实现产品Inductor-Free 大家看到这个小叉叉 就是说 我们在一些应用里面 可以让你省去电感 而是采用比较便宜的 体积比较小的 磁珠做替代 再就是 我们现在的TAS58系列 有很强大的DSP 可以满足你很多先进的处理功能 如果您需要更大的Power比如说 30W-40W之间 我们以前的TAS5782，TAS5756/54 也可以更新到现在的TAS5825 这个产品跟TAS5805对比的话 它相当于是一个大哥哥的角色了 它除了power 更多 RDS(on) 也更低 而且它的处理功能 它是一个configurable可配置的处理功能 所以 如果大家去PPC3上面看的话 我们有更多的process flow可供选择 而且 它也支持192K的处理 另外 它还含有 Smart Amps 还有就是我们现在新的产品 都有[inaudible]的function 所以要做一些回音消除的话也是非常地方便的 那在模拟这块的话 TPA3110 大家可能都比较熟悉 我们现在有新一代的产品叫TPA3138 3138的话 第一个就是它实现了inductor free 第二个的话 它的供电范围也更低了 可以支持3.5V 所以对于一些5V 6V 12V 9V 7.4V 的应用呢 也都是非常合适的 还有 我们增加了一个1SPW的模式 这个模式下面 也可以进一步的省功耗 跟以前的BD比的话 可以省至少30% 的idle current 还有就是我们的TPA3130/3118/3116 这个系列 我们也做了在功耗上面的升级 跟以前相比的话 因为有了这个hybrid modulation 我们的idle current是以前的40% 都不到 接下来 我会根据功放的一些需求 重点介绍一下我们新产品的一些feature 首先 大家可能关注到的一点是 对于效率的追求 我们下一个 新的hybrid modulation 可以实现 不仅是idle loss 节省 而且可以实现整个play的时间更长 如果是在battery power的应用下面 是非常受益的 那首先我们看一下什么是hybrid modulation 也就是混合调制模式 这边有个比较直观的对比. 传统的BD调制模式下面可以看到 如果我给段music 它在PVDD上面的current 是非常大的 是一个比较constant的value 那如果是在hybrid mode 的情况下 大家可以看到 current是动态的 随着音乐 动态的去做调整 所以它这样 就能够实现整个play的时间更长 那我们来看一下 idle 情况下的loss是怎么来的呢 首先考虑 speaker 输出端 但是在LC filter 之前 如果是BD 调制模式下面 输出的是50%占空比的信号 那么在输出端的电压 那就是50% 的PVCC 经过我们电感的ripple current 就是一个三角波 那么 hybrid modulation又是怎么样的呢 它相当于是动态的 自动的调整占空比 来实现减少ripple current的目的 比如说 我现在占空比减小到15% 那么 这个Vout 就变小了 就只有15%的PVCC 那么 相对应的ripple current 也变小了 那我们来看一下device 的对比结果 左边是TAS5805 三条线是代表三个不同的模式 蓝色的是hybrid mode 黑色的是BD mode 红色的是1SPW mode 仅就这个device 来看的话 可以看到 hybrid mode 下面 明显比BD mode 下面省很多idle current 那如果我们将这个device跟以前的57 系列去比 尽量做到是一样的条件 都是 24V 6Ω 情况下面 384 KHz induct 值会略微不一样 那可以看到 基本上是58% 的PVDD idle current 如果是采用 TAS5805 混合调制模式的话 另外一方面 现在越来越多的客户对 方案的体积 还有成本控制的很严格 TI 的产品提供了inductor less 的方案 如果我们来做一个对比 这个红色框的是电感的方案 绿色框的是磁珠的方案 看到密集上面至少是2倍的节省 另外 我们自己device 本省 像TAS5825 是5x5 的[inaudible] TAS5805 是 4.4 x 9.7 T Sharp 28 pin 脚的 就是整个封装都比之前的57 系列小了 另外 我们也集成了很多保护功能 这样 减少了一些外部的components 还有就是集成的DSP 有各种处理功能 这样省去了外部DSP 那我们来看一下 TI是怎么实现inductor-less 方案的 我们在EMI redcution 上面做了很多的技术革新 比如说 加入了spread spectrum 这个展频技术 还有channel-to-channel phase shift 可以有效地减少在PVDD line 上面传导的辐射 进一步降低ripple current 从而实现降低EMI 还有像TAS58系列的话呢 我们也支持多个device phase shift 比如说 有四个device 的话 每个device 之间可以有45度的phase shift 这边给出的是一个对比 左边这个图是我们传统的Class D 是没有EMI 增强的 这样的产品 然后加磁珠的方案 右边这个就是新一代的 有EMI增强 的产品加磁珠的方案 可以看到至少是20dB的差别 那么刚刚讲到 inductor less 方案 面积会变小嘛 其实成本上面也会有差别 我这边选用的是在我们国内的行情里面 电感和磁珠都比较便宜的 这些方案里面 如果我们考虑是BTL 4个电感 用4个磁珠来替换的话 价格上面大概可以省到0.2-0.6人民币左右 刚刚也讲到 我们产品集成了很多保护功能 thermal foldback 就是其中一个 thermal foldback 它的作用是什么呢 有的时候 我们play power 比较大 可能温度升的比较快 立马就 device thermal shutdown了 但是 其实你不想让它 thermal shutdown 因为这可能只是peak power 所以有 在我们TAS58系列里面呢 你可以enable thermal foldback 这个功能 它实现了内部动态的 自动地调整增益 从而去防止你不想要的thermal shutdown 这边有个测试的例子 这是基于TAS5825的 这个device 我们有4个level的 thermal warning 横坐标是时间 纵坐标是dBrA 我们这边相对于从左往右的话 温度是逐渐升高 比如说它在达到第一个OTW 大概是112度左右的时候 你会看到它的增益略微降低了 大概0.5-0.6dB左右 到了 它trick 到第二个点的时候 它的增益会再稍稍降低一些 但是你的温度一旦回去 它的增益还是会回来的 所以 这样的话 可以使device 定量的 可以play 更大的响度 而且不会trigger thermal shutdown 这个功能可以打开 也可以关闭 5825是有4个level 5805是有1个level 另外一个功能是叫PVDD sensing 想象一下 如果你是电池供电的应用 当你的电池电量减少的时候 如果你的输入信号一直不变的话 那其实输出端就很容易听到声音clipping 我们在设计TAS5825的时候呢 加入了PVDD sensing 的功能 它可以自动地根据PVDD 的变化 改变 amplifier的增益 这边是一个效果对比 上面看到的是 蓝色的是PVDD 黄色的是我们的输出 可以看到当PVDD 下降的时候 如果PVDD 这个功能是关掉的话 那么黄色的这个输出就很明显地Clip掉了 那如果我把这个功能打开 可以看到 当PVDD下降的时候 我的输出是自动调整的 去防止clipping 所以这个功能对于电池供电的应用来讲 就非常有帮助 我们刚才也讲到 TAS58系列集成DSP 这边是TAS5805的Process flow的一个例子 我们在输入端 SRC 采样率的转换 可以支持各种采样率转换到96K的内部处理 还有我们的equalization 以前57系列很多是2x10 2x12 2x7 的biquads 那现在它是58系列了 有2x15个biquads 还有我们的multi-band就是多段的DRC DRC 最多是3段 4阶 可以分频点 单独可设 而且 每段可以独立操作 还有我们在amp 的增强上面 我们刚才有提到thermal foldbackhybrid modulation 这个也是可以在不同process flow下面enable 或者disable的 还有在输出上面我们有output stage limiter 包括像AGL 尤其是你在3段的DRC之后 再加一个4 band AGL 可以在整个平台上面优化一下 还有我们的output cross-over 可以实现左右声道的交换等等 那如果想要了解更多的process flow feature 可以访问我们TI的PurePath Console 软件 上面都可以看到这个device所有的process flow 那对于TAS5825的话 我一开始讲过 这个device 是 是可以configurable 的 processing 就是它有这个 [inaudible]的功能 所以 如果大家去我们的PPC3 上面 可以看到它的flow 会比5805多很多 而且自由度 也多很多 那我这边就是按照 我快来介绍吧 在输入端 我们有input mixer 然后 DC Blocking 模块 然后 equalization 这边的话呢 我们有biquads DPEQ DPEQ 就是dynamic equalizer 在频段压线的时候 其他频段还可以独立的提升 这样的话 可以充分发挥喇叭的最大的效能 我们还有的就是 sound fieldspatializer 我们的音效声吵架桥 在DRC 这块呢 跟刚才介绍的5805我们有3段的DRC AMP Enhancement 上面呢 除了我们一开始看到的Thermal foldback PVDD sensing, hybrid mode还有smart amp 所以 可以实现excursion control base morphing还有 look-ahead limiter 就是说 我们在smart amp的path上面加了 delay buffer 这样的话 可以实现更精准的控制 还有anti-clipper 就可以避免output clipping 等等 在output stage 这块呢 就是我们again也有AGL 还有output cross-bar 所以 如果大家想要了解更多呢 可以访问我们的PPC3 最后就是 现在其实这个智能音箱 市场还是很激烈 大家客户都希望 能够尽快地完成design 尽快地到市场上 所以我们device 很多feature 包括 有SDOUT 的pin 脚 可以帮助快速回音消除的方案 还有闭环的架构 额外的component 或者是在选电源的时候 就比较容易 因为比较robust 包括 我们也提供了 每个device 都有相应的EVM 还有如果是数字功放呢 我们有PPC3 这个软件 帮助大家非常快速而容易地做音效调整 这边是一个简单的介绍 技术SDOUT这个pin脚呢 我们在TAS5825和TAS5805上面 都是有的 SDOUT 既可以从DSP之前 也可以从DSP之后拉出来 这样的话可以实现语音的控制 消除背景声的影响 还有刚刚讲到闭环的架构 这边做了一个对比 红色的是TAS5825 黑色的是TAS5731 首先看右手边这两个 因为同样是BD Modulation 下面的 12V, 4Ω, 1W 384kHz 然后 有LC Filter 的情况 我们看到 如果是以前的开环的5731的话 是-63dB 然后 我们现在闭环的呢 是-70.5dB 所以 可以看到 将近7.5dB 改进 THD+N 那在这个基础上 用户如果想要进一步降低功耗的话呢 可以切换成 hybrid modulation这个模式 这样的话呢 实现功耗降低 那同时可以看到呢 我们 THD + N 的性能 1W, 4Ω 0.035% -69.1dB 基本上没有影响 另外就是 其实闭环的架构呢 对于电源噪声的抑制能力 也就越强 大家可以看到 这边是一个实验的结果 我们在上面加了一个200mV 峰到峰 1kHz 的纹波 然后 I2S输入的是一个5kHz的信号 那我们看输出1W 对比 左边是5805 右边是5733L 另外一个开环架构的产品 可以看到IMD的差别 闭环架构来讲 明显会更robust 比它这种开环的话呢 低了25dB 最后 让我们来复习一下刚刚介绍过的几款产品 数字功放这块有TAS5825, 2x30W TAS5805, 2x23W 两者都支持4.5-26.4V供电 所以对于12V, 或者往下9V, 6V, 7.4V 往上18V, 24V 等等 都是非常合适的 如果是在一些电池供电应用 或者对功耗要求比较高的场景 可以开这个device 的hybrid modulation 实现更长的续航时间 也可以leverage 像TAS5825的 PVDD sensing 的功能 即使你的电池电量掉了 也可以保证输出不clipping 另外如果你对成本的控制比较严格 或者你的solution size不能太大的话 可以考虑将电感替换成磁珠 就是inductor less 的方案 如果要做一些回音消除 有SDOUT的功能 在我们的处理功能上面呢 两者都有一个很强大的DSP 有不同的process flow可以供大家选择 可以实现不同的音效 在模拟功放这块的话 TAS3128, TAS3129 都有hybrid modulation 这个调制模式 所以比上一代的产品来讲 它们的功耗很明显地减少 对于TAS3138来讲的话 就是对TAS3110的一个进一步的革新 我们加入了inductor free 也实现了更低的供电电压 可以支持5V, 6V, 7.4V 9V, 12V 等等应用 以上就是我今天的介绍 谢谢大家！