D類功放“爆破音”機理與抑制措施淺析

隨著電動汽車的發(fā)展，車載音響系統(tǒng)的信道的數量和輸出功率均在逐步上升。在影音娛樂系統(tǒng)中，高通道數量和高輸出功率的音響系統(tǒng)，可以產生更大的音壓和動態(tài)范圍，包裹感空間感更強，進而實現(xiàn)劇場效果的360度立體環(huán)繞聲。除車載娛樂外，車載音響系統(tǒng)還具備許多功能。電動汽車相比傳統(tǒng)內燃機汽車安靜，為保護行人減少事故發(fā)生，所有新型電動車需要有一個發(fā)出適當聲音的聲學車輛報警系統(tǒng)（AVAS）。另外，在緊急呼叫（Ecall）系統(tǒng)中，音響系統(tǒng)可以通過觸發(fā)防撞提示和車輛偏離警告，讓駕駛員和緊急調度員取得聯(lián)系。音響系統(tǒng)中包含許多部分，除喇叭外，還有功率放大器、 ADC、Codec等等。其中，D類功率放大器以高輸出功率，高效率，小體積等優(yōu)點，在車載音響領域異軍突起。

圖1. 座艙音響系統(tǒng)喇叭分布圖

在數字D類功放剛上電或功放播放狀態(tài)切換時，人耳偶爾會聽到“嘣”的聲音，我們把這個爆破的聲音稱為pop noise。數字功放pop noise 出現(xiàn)的原因有很多，本文主要分析pop noise出現(xiàn)原因，并提供相應解決方法。

1）電容充放電

圖2.單端功放結構示意圖

圖2所示為單端輸入功放，A1是比較放大器，用于設置增益，增強輸入信號的負載能力。A2輸出同A1輸出完全反向。Modulator用于信號調制，將輸入的模擬信號與三角波比較，生成PWM波驅動外圍MOS。比較放大器A1的一端直連參考電壓Vref，另一端通過RIN、CIN連接輸入音頻信號。在系統(tǒng)上電時，Vref立刻上升到參考電壓值，而A1的另一端則需要通過給RIN、CIN充電，在經一段時間后才能上升到參考電壓值。A1兩端的電壓差經放大后，輸出產生pop noise。該場景下可通過降低輸入電容值，如換成1uf或0.47uf來實現(xiàn)降低 pop noise。

對于差分功放而言，如果P端和N端的輸出外圍硬件電路不匹配或者輸入外圍硬件電路不匹配，功放兩端輸入信號建立時間會不一樣，該差分信號差也會輸入功放并形成pop音。 如下圖所示，若A1兩端電壓上升速度一致，pop noise為0。5ns的信號建立時間差即可產生人耳可聽到的pop音。

圖3 不同充電速度下的POP Noise  

如圖4所示，VR_ANA的電壓由AVDD經LDO轉換而來，這會導致VR_ANA的電壓比AVDD上升慢。此處通過把AVDD 3.3V電阻分壓得到 1.5V ，在 VR_ANA 上放置一預偏置電壓，確保VR_ANA 與 3.3V 同時上升，進而降低pop noise。其中，電容器用于消除 3.3V 的噪聲。

圖4. POP noise 抑制電路

2）PWM啟停

在系統(tǒng)掉電或上電，功放播放狀態(tài)切換，或輸入音源切換時，PWM會產生啟停，進而產生瞬態(tài)的POP音。如下圖所示，在連續(xù)PWM動作時，開關頻率及其附近的鏡像頻率都可以順利的被LC濾波器濾除。而在PWM啟停時，開關頻率及其奇次諧波會延伸到人耳可聽的20-2kHz范圍內。該開關頻率低于LC濾波器的截止頻率，不能被濾除進而產生pop音。

圖5. 連續(xù)PWM及PWM啟動的時頻域圖

對于BTL結構的功放在進行AD調制時，PWM開啟第一個Duty cycle，如果A-side拉低，Bootstrap 電容可以順利充電，但B-side在此時拉高，這使得Bootstrap電容充電失敗。Bootstrap電容提供N MOSFET的充電電壓，如Bootstrap電容充電失敗，則B-side 第一個PWM不能正常輸出。A-side和B-side的不平衡輸出會產生明顯的POP音。 TI針對該類pop noise進行了優(yōu)化，在AD和BD調制中，都使得第一個PWM為低，進而消除Clock fault。

圖6 AD調制PWM開啟示意圖

3）上下電順序錯誤

音頻系統(tǒng)有嚴格的上下電順序。通常功放的供電電壓會比SOC的供電電壓高，也比SOC電壓建立時間早。為避免pop noise在SOC上電及功放上電時發(fā)生，要保持功放為Hi-zi/standby狀態(tài)，且待功放充分充電后(20ms)，再開啟PWM波，輸入音源。同理在功放斷電時，為避免掉電速度不一致，我們需要Mute 并將Standby引腳拉低15ms后再進行掉電。TI 的PurePath Digital 具有優(yōu)化后的啟動序列，這使得可聽音頻帶的pop音盡可能小。

4）PVDD電壓/Gain值急速抬升

PVDD電壓急劇上升或Gain值急速抬升均會導致pop noise 出現(xiàn)。在進行原理圖繪制時，需要將Cstart軟啟動電容設置在合理的范圍內，防止PVDD急速上升。此外，針對某些功放在開機第一次POP noise出現(xiàn)后，還出現(xiàn)了第二次pop noise。這是因為功放在上電后，增益值會以一定步長爬升到設定增益，如果步長設定值過大，會導致pop noise的出現(xiàn)。

5）Hizi-play 狀態(tài)切換Clock Fault

如果喇叭不僅僅在開機或者狀態(tài)轉換時出現(xiàn)pop 音，而是當功放從Hi-zi切換到play時，連續(xù)出現(xiàn)POP noise，此時應當檢查是否出現(xiàn)Clock Fault。硬件工程師可以斷開SOC的IIC控制，并將IIC通過USB轉接板連接到PPC3進行Clock Fault檢驗。

若此時出現(xiàn)Clock Fault 應檢查輸入音頻信號I2S/TDM是否滿足數據手冊的要求（見數據手冊Electrical Characteristics 中Serial Audio Port）。此外，數據手冊中還有其他特殊情況的說明，以TAS6424L/M-Q1系列為例，如果客戶將SCLK和MCLK連接到一起，F(xiàn)SYNC需要為2 MCLK以上。若SOC為高通8155系列，F(xiàn)YSNC輸出共有3個選項：第一是2MCLK ，第二是50% duty cycle ，第三為1 slot，我們可以選擇后兩項作為FSYNC輸入。

德州儀器TAS6424E-Q1是一款采用2.1MHz開關頻率的四通道數字輸入D類音頻放大器。在成本方面，該芯片工作頻率為2.1MHz，這使得芯片可以使用體積更小，成本更低的LC濾波器，進而實現(xiàn)整體成本優(yōu)化。在提高開關頻率的同時， TI TAS6424E-Q1芯片通過展頻及PWM序列優(yōu)化具備良好的EMI表現(xiàn)。另外，該芯片集成了AC、DC故障診斷，可實現(xiàn)負載短路到電源、負載短路到地、負載開路、負載短路等故障診斷，并實現(xiàn)高精度的負載阻抗和相位測量。此外，TAS6424E-Q1芯片中集成了上電啟動序列優(yōu)化及第一個PWM為低等抑制pop 音的解決方案，實現(xiàn)了良好的用戶聽音感受。除低pop noise外，該芯片的Burr-Brown音頻架構和增加的內部音頻環(huán)路帶寬也可提供出色的音質，帶來良好的用戶體驗。

作者：Imelda Zhang