D类功放“爆破音”机理与抑制措施浅析
发布日期:2023-07-15
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随着电动汽车的发展，车载音响系统的信道的数量和输出功率均在逐步上升。在影音娱乐系统中，高通道数量和高输出功率的音响系统，可以产生更大的音压和动态范围，包裹感空间感更强，进而实现剧场效果的360度立体环绕声。除车载娱乐外，车载音响系统还具备许多功能。电动汽车相比传统内燃机汽车安静，为保护行人减少事故发生，所有新型电动车需要有一个发出适当声音的声学车辆报警系统（AVAS）。另外，在紧急呼叫（Ecall）系统中，音响系统可以通过触发防撞提示和车辆偏离警告，让驾驶员和紧急调度员取得联系。音响系统中包含许多部分，除喇叭外，还有功率放大器、 ADC、Codec等等。其中，D类功率放大器以高输出功率，高效率，小体积等优点，在车载音响领域异军突起。
图1. 座舱音响系统喇叭分布图
在数字D类功放刚上电或功放播放状态切换时，人耳偶尔会听到“嘣”的声音，我们把这个爆破的声音称为pop noise。数字功放pop noise 出现的原因有很多，本文主要分析pop noise出现原因，并提供相应解决方法。
1）电容充放电
图2.单端功放结构示意图
图2所示为单端输入功放，A1是比较放大器，用于设置增益，增强输入信号的负载能力。A2输出同A1输出完全反向。Modulator用于信号调制，将输入的模拟信号与三角波比较，生成PWM波驱动外围MOS。比较放大器A1的一端直连参考电压Vref，另一端通过RIN、CIN连接输入音频信号。在系统上电时，Vref立刻上升到参考电压值，而A1的另一端则需要通过给RIN、CIN充电，在经一段时间后才能上升到参考电压值。A1两端的电压差经放大后，输出产生pop noise。该场景下可通过降低输入电容值，如换成1uf或0.47uf来实现降低 pop noise。
对于差分功放而言，如果P端和N端的输出外围硬件电路不匹配或者输入外围硬件电路不匹配，功放两端输入信号建立时间会不一样，该差分信号差也会输入功放并形成pop音。 如下图所示，若A1两端电压上升速度一致，pop noise为0。5ns的信号建立时间差即可产生人耳可听到的pop音。
图3 不同充电速度下的POP Noise
如图4所示，VR_ANA的电压由AVDD经LDO转换而来，这会导致VR_ANA的电压比AVDD上升慢。此处通过把AVDD 3.3V电阻分压得到 1.5V ，在 VR_ANA 上放置一预偏置电压，确保VR_ANA 与 3.3V 同时上升，进而降低pop noise。其中，电容器用于消除 3.3V 的噪声。
图4. POP noise 抑制电路
2）PWM启停
在系统掉电或上电，功放播放状态切换，或输入音源切换时，PWM会产生启停，进而产生瞬态的POP音。如下图所示，在连续PWM动作时，开关频率及其附近的镜像频率都可以顺利的被LC滤波器滤除。而在PWM启停时，开关频率及其奇次谐波会延伸到人耳可听的20-2kHz范围内。该开关频率低于LC滤波器的截止频率，不能被滤除进而产生pop音。
图5. 连续PWM及PWM启动的时频域图
对于BTL结构的功放在进行AD调制时，PWM开启第一个Duty cycle，如果A-side拉低，Bootstrap 电容可以顺利充电，但B-side在此时拉高，这使得Bootstrap电容充电失败。Bootstrap电容提供N MOSFET的充电电压，如Bootstrap电容充电失败，则B-side 第一个PWM不能正常输出。A-side和B-side的不平衡输出会产生明显的POP音。 TI针对该类pop noise进行了优化，在AD和BD调制中，都使得第一个PWM为低，进而消除Clock fault。
图6 AD调制PWM开启示意图
3）上下电顺序错误
音频系统有严格的上下电顺序。通常功放的供电电压会比SOC的供电电压高，也比SOC电压建立时间早。为避免pop noise在SOC上电及功放上电时发生，要保持功放为Hi-zi/standby状态，且待功放充分充电后(20ms)，再开启PWM波，输入音源。同理在功放断电时，为避免掉电速度不一致，我们需要Mute 并将Standby引脚拉低15ms后再进行掉电。TI 的PurePath Digital 具有优化后的启动序列，这使得可听音频带的pop音尽可能小。
4）PVDD电压/Gain值急速抬升
PVDD电压急剧上升或Gain值急速抬升均会导致pop noise 出现。在进行原理图绘制时，需要将Cstart软启动电容设置在合理的范围内，防止PVDD急速上升。此外，针对某些功放在开机第一次POP noise出现后，还出现了第二次pop noise。这是因为功放在上电后，增益值会以一定步长爬升到设定增益，如果步长设定值过大，会导致pop noise的出现。
5）Hizi-play 状态切换Clock Fault
如果喇叭不仅仅在开机或者状态转换时出现pop 音，而是当功放从Hi-zi切换到play时，连续出现POP noise，此时应当检查是否出现Clock Fault。硬件工程师可以断开SOC的IIC控制，并将IIC通过USB转接板连接到PPC3进行Clock Fault检验。
若此时出现Clock Fault 应检查输入音频信号I2S/TDM是否满足数据手册的要求（见数据手册Electrical Characteristics 中Serial Audio Port）。此外，数据手册中还有其他特殊情况的说明，以TAS6424L/M-Q1系列为例，如果客户将SCLK和MCLK连接到一起，FSYNC需要为2 MCLK以上。若SOC为高通8155系列，FYSNC输出共有3个选项：第一是2MCLK ，第二是50% duty cycle ，第三为1 slot，我们可以选择后两项作为FSYNC输入。
德州仪器TAS6424E-Q1是一款采用2.1MHz开关频率的四通道数字输入D类音频放大器。在成本方面，该芯片工作频率为2.1MHz，这使得芯片可以使用体积更小，成本更低的LC滤波器，进而实现整体成本优化。在提高开关频率的同时， TI TAS6424E-Q1芯片通过展频及PWM序列优化具备良好的EMI表现。另外，该芯片集成了AC、DC故障诊断，可实现负载短路到电源、负载短路到地、负载开路、负载短路等故障诊断，并实现高精度的负载阻抗和相位测量。此外，TAS6424E-Q1芯片中集成了上电启动序列优化及第一个PWM为低等抑制pop 音的解决方案，实现了良好的用户听音感受。除低pop noise外，该芯片的Burr-Brown音频架构和增加的内部音频环路带宽也可提供出色的音质，带来良好的用户体验。
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