TAS6424L-Q1：汽車級(jí)四通道數(shù)字輸入D類音頻放大器的卓越之選

在汽車音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能出色、功能豐富的音頻放大器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討德州儀器（TI）推出的TAS6424L-Q1 27 - W、2 - MHz數(shù)字輸入4通道汽車級(jí)D類音頻放大器，看看它如何滿足汽車環(huán)境下的嚴(yán)苛需求。

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一、產(chǎn)品概述

TAS6424L-Q1專為汽車主機(jī)和外部放大器模塊設(shè)計(jì)，采用了TI專為汽車行業(yè)開(kāi)發(fā)的超高效D類技術(shù)。相比傳統(tǒng)的AB類解決方案，它能顯著降低功耗、減小PCB面積、減少發(fā)熱以及降低電氣系統(tǒng)中的峰值電流，實(shí)現(xiàn)更小尺寸和更低重量的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

二、關(guān)鍵特性

（一）音頻輸入輸出

1. 輸入：支持4通道I2S或4/8通道TDM輸入，輸入采樣率涵蓋44.1 kHz、48 kHz和96 kHz，輸入格式包括16位至32位的I2S和TDM。
2. 輸出：提供四通道橋接負(fù)載（BTL）輸出，還可選擇并行BTL（PBTL）模式。輸出開(kāi)關(guān)頻率最高可達(dá)2.1 MHz，在14.4 V電源下，4 Ω負(fù)載時(shí)每通道輸出功率可達(dá)27 W（10% THD），2 Ω負(fù)載時(shí)同樣可達(dá)27 W（10% THD）；在18 V電源的PBTL模式下，2 Ω負(fù)載時(shí)輸出功率可達(dá)80 W（10% THD）。

（二）音頻性能

在14.4 V電源、4 Ω負(fù)載、1 W輸出功率的條件下，總諧波失真加噪聲（THD + N）小于0.03%，輸出噪聲僅為42 μV RMS，通道間串?dāng)_低至 - 90 dB，展現(xiàn)出了出色的音頻表現(xiàn)。

（三）負(fù)載診斷

具備全面的負(fù)載診斷功能，可檢測(cè)輸出開(kāi)路、短路負(fù)載、輸出到電池或地的短路情況，還能進(jìn)行高達(dá)6 kΩ的線路輸出檢測(cè)。即使在沒(méi)有輸入時(shí)鐘的情況下也能正常運(yùn)行，并且支持交流診斷以檢測(cè)高音揚(yáng)聲器。

（四）保護(hù)功能

集成了多種保護(hù)機(jī)制，包括輸出電流限制、輸出短路保護(hù)、40 V負(fù)載突降保護(hù)、開(kāi)路接地和電源耐受、直流偏移保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)以及欠壓和過(guò)壓保護(hù)，確保設(shè)備在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（五）通用操作

評(píng)估模塊（EVM）通過(guò)了CISPR25 - L5 EMC規(guī)范，電源電壓范圍為4.5 V至18 V，支持I2C控制，提供4種地址選項(xiàng)，還具備削波檢測(cè)和熱警告功能。

三、應(yīng)用場(chǎng)景

TAS6424L-Q1主要應(yīng)用于汽車主機(jī)和汽車外部放大器模塊，能夠?yàn)槠囈纛l系統(tǒng)提供高品質(zhì)的音頻輸出，滿足用戶對(duì)車載娛樂(lè)的需求。

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)分析

（一）功能模塊

1. 串行音頻端口：支持I2S、左對(duì)齊、右對(duì)齊和TDM等多種輸入格式，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置。在TDM模式下，還能通過(guò)I2C選擇不同的立體聲對(duì)。
2. 高通濾波器：可去除音頻信號(hào)中的直流成分，保護(hù)揚(yáng)聲器。其截止頻率可通過(guò)寄存器進(jìn)行選擇，默認(rèn)值在不同采樣率下有所不同。
3. 音量控制和增益：每個(gè)通道都有獨(dú)立的數(shù)字音量控制，范圍從 - 100 dB到 + 24 dB，以0.5 dB為步長(zhǎng)。增益斜坡速率也可通過(guò)I2C進(jìn)行編程，同時(shí)還能配置峰值輸出電壓擺幅。
4. 高頻脈沖寬度調(diào)制器（PWM）：將PCM輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為占空比可變的開(kāi)關(guān)信號(hào)，具有高帶寬、低噪聲、低失真和出色的穩(wěn)定性。輸出開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)I2C進(jìn)行編程，范圍為輸入采樣率的8倍至48倍。
5. 柵極驅(qū)動(dòng)：采用專有技術(shù)優(yōu)化電磁干擾（EMI）和音頻性能，內(nèi)部生成柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓GVDD，并通過(guò)去耦電容進(jìn)行濾波。
6. 功率FET：每個(gè)通道的BTL輸出由四個(gè)N溝道90 - mΩ FET組成，能夠處理快速開(kāi)關(guān)頻率和負(fù)載突降時(shí)的大電壓瞬變。

（二）負(fù)載診斷

1. 直流負(fù)載診斷：包括短路到電源（S2P）、短路到地（S2G）、開(kāi)路負(fù)載（OL）和短路負(fù)載（SL）檢測(cè)。每個(gè)通道可根據(jù)預(yù)期連接的負(fù)載設(shè)置獨(dú)特的閾值。
2. 線路輸出診斷：可檢測(cè)高阻抗的線路輸出負(fù)載，在檢測(cè)到開(kāi)路負(fù)載后，若線路輸出檢測(cè)位被設(shè)置，將進(jìn)一步檢查是否存在線路輸出負(fù)載。
3. 交流負(fù)載診斷：用于確定電容耦合揚(yáng)聲器或高音揚(yáng)聲器的正確連接，通過(guò)I2C進(jìn)行控制，需要外部輸入信號(hào)，并能報(bào)告近似的負(fù)載阻抗和相位。

（三）保護(hù)和監(jiān)控

1. 過(guò)流限制：當(dāng)輸出電流超過(guò)限制時(shí)，終止每個(gè)PWM脈沖，限制輸出電流，確保設(shè)備在瞬態(tài)音樂(lè)事件中正常運(yùn)行。
2. 過(guò)流關(guān)斷：當(dāng)輸出負(fù)載電流達(dá)到關(guān)斷閾值時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)通道，并報(bào)告故障。若診斷功能啟用，設(shè)備將自動(dòng)進(jìn)行診斷并嘗試重啟。
3. 直流檢測(cè)：持續(xù)檢測(cè)放大器輸出的直流偏移，若超過(guò)閾值，將該通道置于高阻態(tài)，并報(bào)告故障。
4. 削波檢測(cè)：當(dāng)PWM達(dá)到100%占空比且持續(xù)至少20個(gè)周期時(shí)，在WARN引腳報(bào)告削波情況，可通過(guò)I2C進(jìn)行清除。
5. 全局過(guò)溫警告和關(guān)斷：提供四種過(guò)溫警告級(jí)別，當(dāng)結(jié)溫超過(guò)警告級(jí)別時(shí)，WARN引腳發(fā)出警告；當(dāng)達(dá)到關(guān)斷閾值時(shí)，所有通道置于高阻態(tài)。
6. 通道過(guò)溫警告和關(guān)斷：每個(gè)通道都有獨(dú)立的過(guò)溫警告和關(guān)斷功能，確保各通道的安全運(yùn)行。
7. 欠壓和上電復(fù)位：檢測(cè)PVDD和VBAT引腳的低電壓情況，發(fā)生欠壓時(shí)報(bào)告故障；VDD引腳的上電復(fù)位使I2C進(jìn)入高阻態(tài)，所有寄存器復(fù)位。
8. 過(guò)壓和負(fù)載突降：檢測(cè)PVDD引腳的高電壓情況，超過(guò)閾值時(shí)報(bào)告故障，設(shè)備能夠承受40 V的負(fù)載突降電壓尖峰。

（四）電源供應(yīng)

該設(shè)備有三個(gè)電源輸入：VDD為3.3 V電源，為低電壓電路供電；VBAT為較高電壓電源，可連接到車輛電池或升壓系統(tǒng)中的穩(wěn)壓軌；PVDD為高電壓電源，為輸出FET供電。在電源應(yīng)用和移除時(shí)，有相應(yīng)的順序要求，以確保低噪聲和低咔嗒聲。

（五）硬件控制引腳

包括FAULT、MUTE、WARN和STANDBY四個(gè)引腳，用于控制和報(bào)告設(shè)備狀態(tài)。FAULT引腳報(bào)告各種故障，WARN引腳報(bào)告音頻削波、過(guò)溫警告和上電復(fù)位事件，MUTE引腳用于硬件靜音控制，STANDBY引腳可使設(shè)備進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)。

五、編程與通信

（一）I2C串行通信總線

TAS6424L-Q1作為I2C從設(shè)備，通過(guò)I2C串行通信總線與系統(tǒng)處理器進(jìn)行通信。處理器可通過(guò)I2C查詢?cè)O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、配置設(shè)置或運(yùn)行診斷。設(shè)備有兩個(gè)I2C地址引腳，最多可在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)使用四個(gè)設(shè)備。

（二）I2C總線協(xié)議

遵循標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線協(xié)議，支持100 kbps和400 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，可進(jìn)行隨機(jī)和順序讀寫(xiě)操作。

（三）寄存器映射

提供了豐富的寄存器用于配置和監(jiān)控設(shè)備，包括模式控制、雜項(xiàng)控制、音頻端口控制、通道狀態(tài)控制、音量控制、診斷控制和報(bào)告等寄存器。

六、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）AM頻段規(guī)避

可將設(shè)備的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置在AM頻段以上，避免AM廣播頻段的干擾。若無(wú)法設(shè)置在AM頻段以上，可選擇8 fs和10 fs選項(xiàng)，并根據(jù)AM活動(dòng)頻道進(jìn)行調(diào)整。

（二）并行BTL操作

支持并行BTL（PBTL）模式，可驅(qū)動(dòng)更多電流。在使用PBTL模式時(shí)，需要確保并行通道在狀態(tài)控制寄存器中的狀態(tài)一致，并在待機(jī)模式下進(jìn)行設(shè)置。

（三）解調(diào)濾波器設(shè)計(jì)

放大器輸出采用H橋配置的高電流LDMOS晶體管，輸出為方波信號(hào)。需要使用LC解調(diào)濾波器來(lái)恢復(fù)音頻信號(hào)，濾波器的設(shè)計(jì)對(duì)音頻性能有重要影響。

（四）線路驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用

適用于需要驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或外部放大器輸入的汽車音頻應(yīng)用，可通過(guò)I2C寄存器將通道設(shè)置為線路驅(qū)動(dòng)模式。

（五）典型應(yīng)用

1. BTL應(yīng)用：以最小的解決方案尺寸實(shí)現(xiàn)4 × 25 W輸出功率，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為2.11 MHz，使用3.3 μH的小輸出電感。設(shè)計(jì)時(shí)需確定輸入格式、功率輸出要求，調(diào)整典型應(yīng)用原理圖，注意數(shù)字輸入和串行音頻端口設(shè)置、自舉電容選擇和輸出重建濾波器設(shè)計(jì)。
2. PBTL應(yīng)用：以最小的解決方案尺寸實(shí)現(xiàn)2 × 50 W輸出功率，同樣將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為2.11 MHz。在BTL應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，需要對(duì)輸出級(jí)進(jìn)行原理圖更改，并正確設(shè)置I2C寄存器。

七、布局與熱管理

（一）布局指南

TAS6424L-Q1的引腳布局便于實(shí)現(xiàn)直通式布局，將高功率連接置于右側(cè)，低功率信號(hào)和電源去耦置于左側(cè)。在布局時(shí)，需注意熱焊盤(pán)和散熱器的電氣連接、EMI考慮和一般布局準(zhǔn)則，如使用實(shí)心接地層平面、將去耦電容靠近設(shè)備、縮短輸出引腳到電感的走線等。

（二）熱管理

采用熱增強(qiáng)型PowerPAD封裝，有暴露的焊盤(pán)用于連接散熱器。通過(guò)合理的熱管理，可確保設(shè)備的散熱效率，使輸出功率達(dá)到最佳狀態(tài)。在設(shè)計(jì)熱解決方案時(shí)，需要考慮從結(jié)到暴露金屬封裝的熱阻RθJC以及熱界面材料和散熱器的熱阻。

八、總結(jié)

TAS6424L-Q1以其豐富的功能、出色的音頻性能和全面的保護(hù)機(jī)制，成為汽車音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇。電子工程師在設(shè)計(jì)汽車主機(jī)和外部放大器模塊時(shí)，可充分利用該設(shè)備的特性，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、高可靠性的音頻解決方案。同時(shí)，在應(yīng)用過(guò)程中，需要仔細(xì)考慮布局和熱管理等方面的問(wèn)題，以確保設(shè)備的最佳性能。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些類似音頻放大器的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。