在上期中，我們探討了集成式差分放大器與分立式方案的實(shí)測(cè)性能對(duì)比。

本期，為大家?guī)淼氖恰对O(shè)計(jì)適合汽車音頻應(yīng)用的實(shí)時(shí)診斷電路》，介紹了一種基于 TAS5431-Q1 的音頻放大器 RTD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以解決車載遠(yuǎn)程調(diào)諧模塊中因長線纜和高阻抗導(dǎo)致的短路故障難以可靠檢測(cè)與系統(tǒng)安全恢復(fù)的問題。

引言

現(xiàn)代車載音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員正在迅速采用診斷功能來監(jiān)控 D 類放大器集成電路及所連揚(yáng)聲器。關(guān)鍵問題是在路邊緊急情況下（例如碰撞或故障）使用的連接到遠(yuǎn)程通信控制單元 (TCU) 的車載揚(yáng)聲器（圖 1）。通過檢測(cè)揚(yáng)聲器短路或斷開連接并通知駕駛員，他們可以在發(fā)生災(zāi)難性事件之前安排維護(hù)。

圖 1 具有 D 類音頻放大器的 TCU，帶有揚(yáng)聲器連接

實(shí)時(shí)診斷 (RTD)

作為額外的安全層，一些車輛制造商需要實(shí)時(shí)診斷 (RTD)。傳統(tǒng)上，D 類揚(yáng)聲器診斷功能會(huì)在 TCU 模塊或 D 類放大器開啟時(shí)檢查揚(yáng)聲器，但隨后不會(huì)針對(duì)所有故障場景進(jìn)行監(jiān)測(cè)。RTD 在啟動(dòng)時(shí)監(jiān)控?fù)P聲器，并在車輛運(yùn)行時(shí)繼續(xù)監(jiān)控?fù)P聲器。這種額外的監(jiān)控不僅減少了系統(tǒng)故障和通知之間的時(shí)間，而且還確保了在發(fā)生諸如一百英里長驅(qū)動(dòng)器之類的事件時(shí)及時(shí)通知。

當(dāng)緊急呼叫揚(yáng)聲器處于故障狀態(tài)時(shí)，立即提醒駕駛員可最大限度地減少發(fā)生事故的可能性。此外，如果檢測(cè)到揚(yáng)聲器故障問題，系統(tǒng)還可以在緊急電話呼叫期間向緊急服務(wù)運(yùn)營商發(fā)出警報(bào)。如果揚(yáng)聲器在車輛發(fā)生事故后出現(xiàn)故障（例如 TCU 模塊和揚(yáng)聲器之間的導(dǎo)線斷開），系統(tǒng)可能會(huì)向緊急操作員發(fā)送一條信息，表明駕駛員無法聽到他們的命令。作為最終要求，診斷絕不應(yīng)在座艙中引入錯(cuò)誤的音頻。

D 類放大器必須能夠診斷四種主要的揚(yáng)聲器故障狀況，如下圖所示。

圖 2 四種揚(yáng)聲器故障狀況為：

揚(yáng)聲器開路或負(fù)載 (a)；

正輸出對(duì)負(fù)輸出短路 (b)；

正輸出或負(fù)輸出對(duì)地短路 (c)；

正輸出或負(fù)輸出對(duì)車輛蓄電池短路 (d)。

此外，即使故障消除后，D 類放大器也應(yīng)該能夠正常工作，而無需主機(jī)干預(yù)。例如，應(yīng)該可以檢測(cè)揚(yáng)聲器線路上的間歇性短路；但是，當(dāng)故障條件消除時(shí)，系統(tǒng)仍然正常工作。

D 類放大器選擇

德州儀器 (TI)TAS5431-Q1 D 類放大器可以為汽車揚(yáng)聲器提供高達(dá) 8W 的功率，并保護(hù)自身和 TCU 模塊免受四種故障情況的影響，而且在啟動(dòng)時(shí)診斷所有四種故障類型（也稱為“待機(jī)模式失效”）。啟動(dòng)后，放大器只能在音頻播放過程中檢測(cè)到對(duì)地短路的正輸出或負(fù)輸出，對(duì)汽車電池短路的正輸出或負(fù)輸出以及對(duì)負(fù)輸出短路的正輸出。有關(guān) TAS5431-Q1 如何診斷這些故障狀況的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見 TAS5431-Q1 數(shù)據(jù)表的第 7.3.5 節(jié)“負(fù)載診斷”。

盡管TAS5431-Q1 能夠在啟動(dòng)時(shí)診斷這些故障情況，但無法自行實(shí)施完整的 RTD 套件。一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是在將待機(jī)模式置為無效后，無法檢測(cè)到正輸出對(duì)負(fù)輸出短路或揚(yáng)聲器/負(fù)載開路。表 1 總結(jié)了TAS5431-Q1診斷的標(biāo)準(zhǔn)功能。

表 1 TAS5431-Q1 RTD 摘要

實(shí)現(xiàn) RTD

要在沒有音頻時(shí)檢測(cè)正輸出對(duì)負(fù)輸出短路，音頻源（編解碼器或處理器）必須將基線信號(hào)與語音或音頻信號(hào)混合（圖 3）。例如，基線 5Hz 200mV 峰峰值信號(hào)遠(yuǎn)低于音頻頻率范圍（20Hz 至 20kHz），并且具有足夠的振幅（200mV 峰峰值）來產(chǎn)生檢測(cè)正輸出對(duì)負(fù)輸出短路所需的激勵(lì)。

圖 3 在 200mV 峰峰值下混合 5Hz 的帶外基線信號(hào)，可在不存在音頻時(shí)檢測(cè)輸出短路

向TAS5431-Q1的輸入施加低頻基線信號(hào)可確保在正輸出對(duì)負(fù)輸出短路時(shí)，該器件將達(dá)到其過流限值。然后，集成到TAS5431-Q1的診斷評(píng)估模式將檢測(cè)正負(fù)電壓并在寄存器映射中報(bào)告故障。只需實(shí)現(xiàn)此波形即可改變?cè)\斷總結(jié)，如表 2 所示。

表 2 向 D 類放大器輸入添加基準(zhǔn) 5Hz 200mV 峰峰值正弦波時(shí)的 TAS5431-Q1 RTD 總結(jié)

將電流感測(cè)電阻器、電流感測(cè)放大器和電阻電容器 (RC) 濾波器（圖 4）與相同的 5Hz、200mV 峰間基線信號(hào)結(jié)合使用，使系統(tǒng)能夠檢測(cè)揚(yáng)聲器或開路負(fù)載情況。

圖 4 使用 TAS5431-Q1 實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的電流檢測(cè)放大器電路，可以檢測(cè)開路

無論是否存在音頻，基線信號(hào)都會(huì)通過 50mΩ 電流檢測(cè)電阻器產(chǎn)生電流，INA180-Q1都會(huì)將其轉(zhuǎn)換為成比例的電壓。盡管基線信號(hào)是雙極信號(hào)（既有正也有負(fù)），但I(xiàn)NA180-Q1的單向性質(zhì)會(huì)自動(dòng)對(duì)輸出電壓進(jìn)行整流，并將后置濾波要求大幅降低至簡單的 RC 濾波器。RC 濾波器產(chǎn)生的直流輸出被驅(qū)動(dòng)到微控制器通用輸入/輸出或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 中進(jìn)行分析（圖 5）。在開路負(fù)載故障期間，電流將停止流過電流檢測(cè)電阻，從而強(qiáng)制INA180-Q1的輸出為 0V。INA180-Q1輸出超過預(yù)定閾值會(huì)觸發(fā)警報(bào)以斷開揚(yáng)聲器連接（圖 6）。

圖 5 在正常運(yùn)行期間，

INA180-Q1 將基線信號(hào)整流為可測(cè)量的直流電壓

圖 6 在開路故障情況下，INA180-Q1 測(cè)量為零電流，

可通過連接的比較器或 ADC 輕松檢測(cè)到零電流

在基線信號(hào)上疊加音頻的電路的最終驗(yàn)證（圖 7）將產(chǎn)生正常運(yùn)行期間的預(yù)期結(jié)果。INA180-Q1將通過 50mΩ 電阻器傳輸?shù)呢?fù)載電流轉(zhuǎn)換成半波整流電壓。后濾波結(jié)果為 1V 直流電壓，大于預(yù)選閾值。所有設(shè)計(jì)都必須根據(jù)預(yù)期的負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)優(yōu)，并且INA180-Q1提供多個(gè)額外的增益選項(xiàng)。INA180-Q1還具有較大的共模輸入電壓范圍 (26V)，可確保在電池短路故障期間不會(huì)造成損壞，通常在線路上產(chǎn)生高達(dá) 16V 的電壓。

圖 7 開路負(fù)載診斷，無故障狀態(tài)，音頻混合到輸入中

借助附加電路，TAS5431-Q1 最終能夠?qū)崿F(xiàn)完整的 RTD，如表 3 所示。

表 3 向 D 類輸入添加基準(zhǔn) 5Hz 200mV 峰峰值正弦波和附加電路時(shí)的 TAS5431-Q1 RTD 總結(jié)

其他注意事項(xiàng)

使用TAS5431-Q1實(shí)現(xiàn) RTD 后，還需要查看另外兩個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。第一種是故障恢復(fù)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，D 類放大器應(yīng)保護(hù)自身和任何連接的電路免受損壞，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行故障診斷。故障消除后，器件應(yīng)立即檢測(cè)故障是否已消除并繼續(xù)播放音頻（如果正在對(duì)輸入端施加音頻）。TAS5431-Q1經(jīng)由無限期重復(fù)持續(xù)運(yùn)行其 229ms 診斷周期來實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)。故障消除后，診斷周期確定不再存在故障并允許輸出級(jí)正常運(yùn)行。有關(guān)這方面的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱TAS5431-Q1數(shù)據(jù)表的第 7.3.5.1 節(jié)“負(fù)載診斷序列”。實(shí)現(xiàn) RTD 所需附加電路不會(huì)影響該器件從故障中恢復(fù)并立即播放音頻的能力。

第二個(gè)考慮因素是：根據(jù)負(fù)載的總阻抗，D 類放大器可能難以檢測(cè)正負(fù)輸出短路情況。每個(gè) D 類放大器都有一個(gè)阻抗閾值，在該閾值下，它將檢測(cè)正輸出和負(fù)輸出的短接（短接的揚(yáng)聲器）。在給定的設(shè)計(jì)中，正負(fù)輸出之間可能存在很大的阻抗、尤其是當(dāng)揚(yáng)聲器附近發(fā)生短路時(shí)，該短路可能超過 D 類放大器的檢測(cè)閾值。在車輛系統(tǒng)中，從 TCU 模塊到揚(yáng)聲器（然后再回到 TCU 模塊）的布線最長可達(dá) 10 至 12 米。圖 8 顯示了需要考慮的全部不同阻抗。

圖 8 當(dāng)正輸出對(duì)負(fù)輸出短路時(shí)，在揚(yáng)聲器附近出現(xiàn)時(shí)，需要考慮正輸出和負(fù)輸出之間的阻抗

接下來，我們將回顧一個(gè)有關(guān)如何考慮系統(tǒng)中的各種阻抗并將它們與TAS5431-Q1檢測(cè)閾值進(jìn)行比較的示例分析。

我們可以先假設(shè)使用 12 米的 22AWG 外部布線（0.053Ω/米）總電阻 636mΩ，如公式 1 所示：

(1)

標(biāo)準(zhǔn)汽車連接器（如 Molex 34826-8160）為每個(gè)連接器指定了大約 20mΩ，這兩個(gè)連接器總共指定了 40mΩ。

對(duì)于電感器，找到汽車級(jí)低直流電阻 (DCR) 電感器（例如 Cyntec 的 VAMV1009AA-220MM2）非常重要。每個(gè)線圈 22μH 電感器的最大值 56mΩ 乘以 2，總計(jì) 112mΩ。

最后，為電流檢測(cè)電阻器添加 50mΩ 總共會(huì)得到正負(fù)輸出之間的大約 838mΩ 電阻，不包括布線電阻。

根據(jù)TAS5431-Q1數(shù)據(jù)表，短路檢測(cè)閾值規(guī)格為 900mΩ。因此，為了確保器件識(shí)別到正負(fù)輸出之間的短路，兩者之間的電阻必須小于 900mΩ。根據(jù)計(jì)算得出的總電阻 838mΩ，在TAS5431-Q1之前可能容易出現(xiàn)輸出間短路的情況，大約存在 62mΩ 的布線阻抗。

要滿足 900mΩ 規(guī)范要求，需要仔細(xì)進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)和布線。您還可以微調(diào)設(shè)計(jì)的其他方面，例如使用“LC 濾波器設(shè)計(jì)”應(yīng)用報(bào)告選擇具有較低 DCR 的替代電感器，或最大限度地減小電流檢測(cè)電阻值并選擇具有較大增益設(shè)置的INA180-Q1。

結(jié)語

RTD 已成為 TCU 系統(tǒng)的關(guān)鍵安全因素。通過一系列巧妙的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，汽車制造商可以克服這一挑戰(zhàn)，并立即開始在 TCU 模塊中采用 RTD。額外的診斷功能將提高車輛安全性，而對(duì)于所有駕駛員而言，更安全的車輛將對(duì)未來漫長的道路行駛提供更好的體驗(yàn)。