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測性能對比。

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

引言

現(xiàn)代車載音頻系統(tǒng)的設(shè)計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）使用的連接到遠程通信控制單元 (TCU) 的車載揚聲器（圖 1）。通過檢測揚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。

圖 1 具有 D 類音頻放大器的 TCU，帶有揚聲器連接

實時診斷 (RTD)

作為額外的安全層，一些車輛制造商需要實時診斷 (RTD)。傳統(tǒng)上，D 類揚聲器診斷功能會在 TCU 模塊或 D 類放大器開啟時檢查揚聲器，但隨后不會針對所有故障場景進行監(jiān)測。RTD 在啟動時監(jiān)控揚聲器，并在車輛運行時繼續(xù)監(jiān)控揚聲器。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間，而且還確保了在發(fā)生諸如一百英里長驅(qū)動器之類的事件時及時通知。

當緊急呼叫揚聲器處于故障狀態(tài)時，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，如果檢測到揚聲器故障問題，系統(tǒng)還可以在緊急電話呼叫期間向緊急服務(wù)運營商發(fā)出警報。如果揚聲器在車輛發(fā)生事故后出現(xiàn)故障（例如 TCU 模塊和揚聲器之間的導線斷開），系統(tǒng)可能會向緊急操作員發(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)在座艙中引入錯誤的音頻。

D 類放大器必須能夠診斷四種主要的揚聲器故障狀況，如下圖所示。

圖 2 四種揚聲器故障狀況為：

揚聲器開路或負載 (a)；

正輸出對負輸出短路 (b)；

正輸出或負輸出對地短路 (c)；

正輸出或負輸出對車輛蓄電池短路 (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，而無需主機干預。例如，應(yīng)該可以檢測揚聲器線路上的間歇性短路；但是，當故障條件消除時，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聲器提供高達 8W 的功率，并保護自身和 TCU 模塊免受四種故障情況的影響，而且在啟動時診斷所有四種故障類型（也稱為“待機模式失效”）。啟動后，放大器只能在音頻播放過程中檢測到對地短路的正輸出或負輸出，對汽車電池短路的正輸出或負輸出以及對負輸出短路的正輸出。有關(guān) TAS5431-Q1 如何診斷這些故障狀況的更多詳細信息，請參見 TAS5431-Q1 數(shù)據(jù)表的第 7.3.5 節(jié)“負載診斷”。

盡管TAS5431-Q1 能夠在啟動時診斷這些故障情況，但無法自行實施完整的 RTD 套件。一個顯著的缺點是在將待機模式置為無效后，無法檢測到正輸出對負輸出短路或揚聲器/負載開路。表 1 總結(jié)了TAS5431-Q1診斷的標準功能。

表 1 TAS5431-Q1 RTD 摘要

實現(xiàn) RTD

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

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

向TAS5431-Q1的輸入施加低頻基線信號可確保在正輸出對負輸出短路時，該器件將達到其過流限值。然后，集成到TAS5431-Q1的診斷評估模式將檢測正負電壓并在寄存器映射中報告故障。只需實現(xiàn)此波形即可改變診斷總結(jié)，如表 2 所示。

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

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

圖 4 使用 TAS5431-Q1 實現(xiàn)一個簡單的電流檢測放大器電路，可以檢測開路

無論是否存在音頻，基線信號都會通過 50mΩ 電流檢測電阻器產(chǎn)生電流，INA180-Q1都會將其轉(zhuǎn)換為成比例的電壓。盡管基線信號是雙極信號（既有正也有負），但INA180-Q1的單向性質(zhì)會自動對輸出電壓進行整流，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)動到微控制器通用輸入/輸出或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 中進行分析（圖 5）。在開路負載故障期間，電流將停止流過電流檢測電阻，從而強制INA180-Q1的輸出為 0V。INA180-Q1輸出超過預定閾值會觸發(fā)警報以斷開揚聲器連接（圖 6）。

圖 5 在正常運行期間，

INA180-Q1 將基線信號整流為可測量的直流電壓

圖 6 在開路故障情況下，INA180-Q1 測量為零電流，

可通過連接的比較器或 ADC 輕松檢測到零電流

在基線信號上疊加音頻的電路的最終驗證（圖 7）將產(chǎn)生正常運行期間的預期結(jié)果。INA180-Q1將通過 50mΩ 電阻器傳輸?shù)呢撦d電流轉(zhuǎn)換成半波整流電壓。后濾波結(jié)果為 1V 直流電壓，大于預選閾值。所有設(shè)計都必須根據(jù)預期的負載特性進行調(diào)優(yōu)，并且INA180-Q1提供多個額外的增益選項。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造成損壞，通常在線路上產(chǎn)生高達 16V 的電壓。

圖 7 開路負載診斷，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 5Hz 200mV 峰峰值正弦波和附加電路時的 TAS5431-Q1 RTD 總結(jié)

其他注意事項

使用TAS5431-Q1實現(xiàn) RTD 后，還需要查看另外兩個設(shè)計注意事項。第一種是故障恢復。當發(fā)生故障時，D 類放大器應(yīng)保護自身和任何連接的電路免受損壞，同時還應(yīng)進行故障診斷。故障消除后，器件應(yīng)立即檢測故障是否已消除并繼續(xù)播放音頻（如果正在對輸入端施加音頻）。TAS5431-Q1經(jīng)由無限期重復持續(xù)運行其 229ms 診斷周期來實現(xiàn)故障恢復。故障消除后，診斷周期確定不再存在故障并允許輸出級正常運行。有關(guān)這方面的更多詳細信息，請參閱TAS5431-Q1數(shù)據(jù)表的第 7.3.5.1 節(jié)“負載診斷序列”。實現(xiàn) RTD 所需附加電路不會影響該器件從故障中恢復并立即播放音頻的能力。

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

圖 8 當正輸出對負輸出短路時，在揚聲器附近出現(xiàn)時，需要考慮正輸出和負輸出之間的阻抗

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

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)

標準汽車連接器（如 Molex 34826-8160）為每個連接器指定了大約 20mΩ，這兩個連接器總共指定了 40mΩ。

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

最后，為電流檢測電阻器添加 50mΩ 總共會得到正負輸出之間的大約 838mΩ 電阻，不包括布線電阻。

根據(jù)TAS5431-Q1數(shù)據(jù)表，短路檢測閾值規(guī)格為 900mΩ。因此，為了確保器件識別到正負輸出之間的短路，兩者之間的電阻必須小于 900mΩ。根據(jù)計算得出的總電阻 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，需要仔細進行印刷電路板設(shè)計和布線。您還可以微調(diào)設(shè)計的其他方面，例如使用“LC 濾波器設(shè)計”應(yīng)用報告選擇具有較低 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，而對于所有駕駛員而言，更安全的車輛將對未來漫長的道路行駛提供更好的體驗。