基于德州仪器TAS5431-Q1的音频放大器RTD实时诊断系统设计方案

在上期中，我们探讨了集成式差分放大器与分立式方案的实测性能对比。

本期，为大家带来的是《设计适合汽车音频应用的实时诊断电路》，介绍了一种基于 TAS5431-Q1 的音频放大器 RTD 系统设计方案，以解决车载远程调谐模块中因长线缆和高阻抗导致的短路故障难以可靠检测与系统安全恢复的问题。

引言

现代车载音频系统的设计人员正在迅速采用诊断功能来监控 D 类放大器集成电路及所连扬声器。关键问题是在路边紧急情况下（例如碰撞或故障）使用的连接到远程通信控制单元 (TCU) 的车载扬声器（图 1）。通过检测扬声器短路或断开连接并通知驾驶员，他们可以在发生灾难性事件之前安排维护。

图 1 具有 D 类音频放大器的 TCU，带有扬声器连接

实时诊断 (RTD)

作为额外的安全层，一些车辆制造商需要实时诊断 (RTD)。传统上，D 类扬声器诊断功能会在 TCU 模块或 D 类放大器开启时检查扬声器，但随后不会针对所有故障场景进行监测。RTD 在启动时监控扬声器，并在车辆运行时继续监控扬声器。这种额外的监控不仅减少了系统故障和通知之间的时间，而且还确保了在发生诸如一百英里长驱动器之类的事件时及时通知。

当紧急呼叫扬声器处于故障状态时，立即提醒驾驶员可最大限度地减少发生事故的可能性。此外，如果检测到扬声器故障问题，系统还可以在紧急电话呼叫期间向紧急服务运营商发出警报。如果扬声器在车辆发生事故后出现故障（例如 TCU 模块和扬声器之间的导线断开），系统可能会向紧急操作员发送一条信息，表明驾驶员无法听到他们的命令。作为最终要求，诊断绝不应在座舱中引入错误的音频。

D 类放大器必须能够诊断四种主要的扬声器故障状况，如下图所示。

图 2 四种扬声器故障状况为：

扬声器开路或负载 (a)；

正输出对负输出短路 (b)；

正输出或负输出对地短路 (c)；

正输出或负输出对车辆蓄电池短路 (d)。

此外，即使故障消除后，D 类放大器也应该能够正常工作，而无需主机干预。例如，应该可以检测扬声器线路上的间歇性短路；但是，当故障条件消除时，系统仍然正常工作。

D 类放大器选择

德州仪器 (TI)TAS5431-Q1 D 类放大器可以为汽车扬声器提供高达 8W 的功率，并保护自身和 TCU 模块免受四种故障情况的影响，而且在启动时诊断所有四种故障类型（也称为“待机模式失效”）。启动后，放大器只能在音频播放过程中检测到对地短路的正输出或负输出，对汽车电池短路的正输出或负输出以及对负输出短路的正输出。有关 TAS5431-Q1 如何诊断这些故障状况的更多详细信息，请参见 TAS5431-Q1 数据表的第 7.3.5 节“负载诊断”。

尽管TAS5431-Q1 能够在启动时诊断这些故障情况，但无法自行实施完整的 RTD 套件。一个显著的缺点是在将待机模式置为无效后，无法检测到正输出对负输出短路或扬声器/负载开路。表 1 总结了TAS5431-Q1诊断的标准功能。

表 1 TAS5431-Q1 RTD 摘要

实现 RTD

要在没有音频时检测正输出对负输出短路，音频源（编解码器或处理器）必须将基线信号与语音或音频信号混合（图 3）。例如，基线 5Hz 200mV 峰峰值信号远低于音频频率范围（20Hz 至 20kHz），并且具有足够的振幅（200mV 峰峰值）来产生检测正输出对负输出短路所需的激励。

图 3 在 200mV 峰峰值下混合 5Hz 的带外基线信号，可在不存在音频时检测输出短路

向TAS5431-Q1的输入施加低频基线信号可确保在正输出对负输出短路时，该器件将达到其过流限值。然后，集成到TAS5431-Q1的诊断评估模式将检测正负电压并在寄存器映射中报告故障。只需实现此波形即可改变诊断总结，如表 2 所示。

表 2 向 D 类放大器输入添加基准 5Hz 200mV 峰峰值正弦波时的 TAS5431-Q1 RTD 总结

将电流感测电阻器、电流感测放大器和电阻电容器 (RC) 滤波器（图 4）与相同的 5Hz、200mV 峰间基线信号结合使用，使系统能够检测扬声器或开路负载情况。

图 4 使用 TAS5431-Q1 实现一个简单的电流检测放大器电路，可以检测开路

无论是否存在音频，基线信号都会通过 50mΩ 电流检测电阻器产生电流，INA180-Q1都会将其转换为成比例的电压。尽管基线信号是双极信号（既有正也有负），但INA180-Q1的单向性质会自动对输出电压进行整流，并将后置滤波要求大幅降低至简单的 RC 滤波器。RC 滤波器产生的直流输出被驱动到微控制器通用输入/输出或模数转换器 (ADC) 中进行分析（图 5）。在开路负载故障期间，电流将停止流过电流检测电阻，从而强制INA180-Q1的输出为 0V。INA180-Q1输出超过预定阈值会触发警报以断开扬声器连接（图 6）。

图 5 在正常运行期间，

INA180-Q1 将基线信号整流为可测量的直流电压

图 6 在开路故障情况下，INA180-Q1 测量为零电流，

可通过连接的比较器或 ADC 轻松检测到零电流

在基线信号上叠加音频的电路的最终验证（图 7）将产生正常运行期间的预期结果。INA180-Q1将通过 50mΩ 电阻器传输的负载电流转换成半波整流电压。后滤波结果为 1V 直流电压，大于预选阈值。所有设计都必须根据预期的负载特性进行调优，并且INA180-Q1提供多个额外的增益选项。INA180-Q1还具有较大的共模输入电压范围 (26V)，可确保在电池短路故障期间不会造成损坏，通常在线路上产生高达 16V 的电压。

图 7 开路负载诊断，无故障状态，音频混合到输入中

借助附加电路，TAS5431-Q1 最终能够实现完整的 RTD，如表 3 所示。

表 3 向 D 类输入添加基准 5Hz 200mV 峰峰值正弦波和附加电路时的 TAS5431-Q1 RTD 总结

其他注意事项

使用TAS5431-Q1实现 RTD 后，还需要查看另外两个设计注意事项。第一种是故障恢复。当发生故障时，D 类放大器应保护自身和任何连接的电路免受损坏，同时还应进行故障诊断。故障消除后，器件应立即检测故障是否已消除并继续播放音频（如果正在对输入端施加音频）。TAS5431-Q1经由无限期重复持续运行其 229ms 诊断周期来实现故障恢复。故障消除后，诊断周期确定不再存在故障并允许输出级正常运行。有关这方面的更多详细信息，请参阅TAS5431-Q1数据表的第 7.3.5.1 节“负载诊断序列”。实现 RTD 所需附加电路不会影响该器件从故障中恢复并立即播放音频的能力。

第二个考虑因素是：根据负载的总阻抗，D 类放大器可能难以检测正负输出短路情况。每个 D 类放大器都有一个阻抗阈值，在该阈值下，它将检测正输出和负输出的短接（短接的扬声器）。在给定的设计中，正负输出之间可能存在很大的阻抗、尤其是当扬声器附近发生短路时，该短路可能超过 D 类放大器的检测阈值。在车辆系统中，从 TCU 模块到扬声器（然后再回到 TCU 模块）的布线最长可达 10 至 12 米。图 8 显示了需要考虑的全部不同阻抗。

图 8 当正输出对负输出短路时，在扬声器附近出现时，需要考虑正输出和负输出之间的阻抗

接下来，我们将回顾一个有关如何考虑系统中的各种阻抗并将它们与TAS5431-Q1检测阈值进行比较的示例分析。

我们可以先假设使用 12 米的 22AWG 外部布线（0.053Ω/米）总电阻 636mΩ，如公式 1 所示：

(1)

标准汽车连接器（如 Molex 34826-8160）为每个连接器指定了大约 20mΩ，这两个连接器总共指定了 40mΩ。

对于电感器，找到汽车级低直流电阻 (DCR) 电感器（例如 Cyntec 的 VAMV1009AA-220MM2）非常重要。每个线圈 22µH 电感器的最大值 56mΩ 乘以 2，总计 112mΩ。

最后，为电流检测电阻器添加 50mΩ 总共会得到正负输出之间的大约 838mΩ 电阻，不包括布线电阻。

根据TAS5431-Q1数据表，短路检测阈值规格为 900mΩ。因此，为了确保器件识别到正负输出之间的短路，两者之间的电阻必须小于 900mΩ。根据计算得出的总电阻 838mΩ，在TAS5431-Q1之前可能容易出现输出间短路的情况，大约存在 62mΩ 的布线阻抗。

要满足 900mΩ 规范要求，需要仔细进行印刷电路板设计和布线。您还可以微调设计的其他方面，例如使用“LC 滤波器设计”应用报告选择具有较低 DCR 的替代电感器，或最大限度地减小电流检测电阻值并选择具有较大增益设置的INA180-Q1。

结语

RTD 已成为 TCU 系统的关键安全因素。通过一系列巧妙的电路设计技术，汽车制造商可以克服这一挑战，并立即开始在 TCU 模块中采用 RTD。额外的诊断功能将提高车辆安全性，而对于所有驾驶员而言，更安全的车辆将对未来漫长的道路行驶提供更好的体验。