TAS5713：高效数字音频功率放大器的详细剖析

在音频设备的设计领域，一款性能卓越的功率放大器至关重要。TI公司的TAS5713数字音频功率放大器，以其高效、多功能的特性，成为众多工程师的首选。下面，我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：TAS5713PHP.pdf

一、产品概述

TAS5713是一款25W的高效数字音频功率放大器，主要用于驱动立体声桥接扬声器。它支持单串行数据输入，可处理多达两个离散音频通道，能与大多数数字音频处理器和MPEG解码器无缝集成。该设备能接受广泛的输入数据和数据速率，通过完全可编程的数据路径将这些通道路由到内部扬声器驱动器。

二、产品特性

（一）音频输入/输出特性

• 功率输出：在20V电源下，可向8Ω负载提供25W功率。
• 电源范围：PVDD范围宽，从8V到26V，能适应不同的电源环境。
• 配置支持：支持BTL配置，搭配4Ω负载，采用高效的D类操作，无需散热片。
• 输入格式：具有一个串行音频输入（两个音频通道），支持8kHz至48kHz的采样率（LJ/RJ/I2S）。
• 地址选择：设有I2C地址选择引脚（芯片选择），方便进行地址配置。

（二）音频/PWM处理特性

• 音量控制：独立通道音量控制，增益范围从24dB到静音，可灵活调节音量。
• 动态范围控制：可编程的双频段动态范围控制（DRC），可作为功率限制器，实现扬声器保护、轻松聆听和夜间模式聆听等功能。
• 音频处理：拥有22个可编程双二阶滤波器，用于扬声器均衡和其他音频处理功能；还具备可编程的DRC滤波器系数和直流阻塞滤波器。

（三）通用特性

• 控制接口：采用I2C串行控制接口，无需MCLK即可运行，仅需3.3V和PVDD电源。
• 振荡器：无外部振荡器，采用内部振荡器进行自动速率检测。
• 封装形式：采用48引脚、7mm×7mm的HTQFP表面贴装封装。
• 保护功能：具备热保护和短路保护功能，A加权信噪比达106dB，支持AD和BD PWM模式，效率高达90%。

三、电气特性

（一）绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。TAS5713的电源电压、输入电压、输出电压等都有明确的限制范围，例如DVDD和AVDD的范围是 -0.3V至3.6V，PVDD_x的范围是 -0.3V至30V等。在设计过程中，必须严格遵守这些额定值，避免器件损坏。

（二）推荐工作条件

为了使TAS5713发挥最佳性能，需要在推荐的工作条件下使用。包括数字/模拟电源电压、半桥电源电压、输入电压的高低电平范围、工作环境温度范围、负载阻抗等都有相应的要求。例如，数字/模拟电源电压DVDD和AVDD的推荐值为3V至3.6V，半桥电源电压PVDD_x的范围是8V至26V。

（三）PWM操作

在推荐工作条件下，TAS5713的输出采样率根据不同的数据速率有所不同。例如，11.025/22.05/44.1kHz数据速率（±2%）时，输出采样率为352.8kHz；48/24/12/8/16/32kHz数据速率（±2%）时，输出采样率为384kHz。

（四）PLL输入参数和外部滤波器组件

PLL输入参数和外部滤波器组件对于保证时钟的稳定性和准确性非常重要。MCLK频率、占空比、上升/下降时间等都有具体的要求，同时外部PLL滤波器的电容和电阻也有相应的推荐值。例如，MCLK频率范围是2.8224MHz至24.576MHz，占空比为40%至60%。

（五）电气特性详细参数

文档中还给出了DC特性和AC特性的详细参数，包括高电平输出电压、低电平输出电压、输入电流、电源电流、漏源电阻、欠压保护极限、过温误差等。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。

四、功能模块详解

（一）电源供应

TAS5713仅需3.3V电源和典型的18V功率级电源，内部电压调节器为栅极驱动电路提供合适的电压。每个半桥都有独立的自举引脚（BST_x）和功率级电源引脚（PVDD_x），设计时要注意将去耦电容尽可能靠近相关引脚放置，避免电源引脚和去耦电容之间的电感。自举电路需要连接小陶瓷电容，以确保在PWM开关频率范围内为高端栅极驱动器提供合适的电压。

（二）I2C芯片选择

A_SEL_FAULT引脚在电源启动时作为输入引脚，可通过上拉（15kΩ上拉）或下拉（15kΩ下拉）来设置I2C子地址。高电平表示子地址为0x36，低电平表示子地址为0x34。如果需要更改I2C设备地址，可按照特定的步骤进行操作。

（三）单滤波器PBTL模式

TAS5713支持并行BTL（PBTL）模式，通过将OUT_A/OUT_B（和OUT_C/OUT_D）在LC滤波器之前连接实现。将PBTL引脚（引脚8）置为高电平可使器件进入PBTL配置，同时需要更新PWM输出多路复用器和PWM关闭寄存器。

（四）设备保护系统

• 过流保护：设备在所有高端和低端功率级FET上都有独立、快速反应的电流检测器。当出现过流情况时，首先进行逐周期电流限制，若高电流情况持续，则触发锁存关闭，将功率级设置为高阻抗状态，故障排除后可恢复正常运行。
• 过温保护：当器件结温超过150°C（标称值）时，设备进入热关断状态，所有半桥输出设置为高阻抗状态，A_SEL_FAULT引脚置为低电平。温度下降约30°C后自动恢复。
• 欠压保护和上电复位：UVP和POR电路可在任何上电/掉电和电压骤降情况下保护设备。上电时，POR电路复位过载电路，确保所有电路在PVDD和AVDD达到7.6V和2.7V时完全正常工作。当AVDD或任何PVDD引脚的电源电压降至UVP阈值以下时，所有半桥输出立即设置为高阻抗状态，A_SEL_FAULT引脚置为低电平。

（五）故障指示

A_SEL_FAULT引脚在复位后可通过写入 (I^{2} C) 寄存器0x05的第0位将其编程为输出引脚。该引脚为低电平时表示出现过流（OC）、欠压（UVP）、过温（OTE）或过压等错误，为高电平时表示正常运行。

（六）SSTIMER功能

SSTIMER引脚通过连接电容到地来控制所有通道关闭后输出占空比的变化。电容通过内部电流源缓慢充电，充电时间决定了输出从接近零占空比过渡到所需占空比的速率，从而实现平滑过渡，减少可听的噗噗声和咔嗒声。

（七）时钟、自动检测和PLL

TAS5713是 (I^{2} ~S) 从设备，接受MCLK、SCLK和LRCLK。数字音频处理器（DAP）支持时钟控制寄存器中定义的所有采样率和MCLK速率。设备具有强大的时钟错误处理功能，能快速检测时钟变化/错误，在检测到问题时静音音频，强制PLL使用内部振荡器作为参考时钟，时钟稳定后自动检测新速率并恢复正常运行。

（八）串行数据接口

串行数据通过SDIN输入，PWM输出由SDIN派生而来。TAS5713 DAP接受16位、20位或24位左对齐、右对齐和I2S串行数据格式。

（九）PWM部分

TAS5713 DAP使用噪声整形和定制的非线性校正算法，实现高功率效率和高性能的数字音频再现。采用四阶噪声整形器提高音频频段的动态范围和信噪比。PWM部分接受来自DAP的24位PCM数据，输出两个BTL PWM音频输出通道。还具备独立通道的直流阻塞滤波器和去加重滤波器，可根据需要启用或禁用，同时PWM部分的最大调制限制可在93.8%至99.2%之间调整。

（十）串行接口控制和时序

• I2S时序：I2S时序使用LRCLK定义数据是左声道还是右声道，数据通过32、48或 (64 ×f_{S}) 的位时钟输入，数据在LRCLK信号状态改变后一个位时钟开始传输，MSB优先，在位时钟上升沿有效。
• 左对齐和右对齐时序：左对齐和右对齐时序也使用LRCLK定义声道，数据通过相应的位时钟输入，在不同的时刻开始传输，同样MSB优先，在位时钟上升沿有效。

（十一）I2C串行控制接口

TAS5713 DAP具有双向IC接口，与Inter IC（ (I^{2} C) ）总线协议兼容，支持100kHz和400kHz的数据传输速率，用于单字节和多字节的读写操作。作为仅从设备，不支持多主总线环境或插入等待状态。控制接口用于对设备寄存器进行编程和读取设备状态。

（十二）动态范围控制（DRC）

DRC方案具有单个阈值、偏移和斜率（均可编程），有一个用于高频段左右声道的联动DRC和一个用于低频段左右声道的DRC。它可以自动调整音量，使音量水平更加平稳，避免明显的削波现象。

（十三）银行切换

TAS5713采用银行切换方法结合自动采样率检测。所有需要根据不同采样率更改的处理功能存储在三个银行中，用户可对采样率与银行的映射进行编程。默认情况下，银行1用于32kHz模式，银行2用于44.1/48kHz模式，银行3用于其他速率。启用自动银行切换后，设备可自动检测输入采样率的变化并切换到相应的银行，无需MCU干预。

五、初始化和操作序列

（一）初始化序列

• 保持所有数字输入低电平，将AVDD/DVDD升至至少3V。
• 初始化数字输入和PVDD电源，设置 (RESET =0) ， (overline{PDN}=1) ，其他数字输入设置为所需状态，确保不超过AVDD/DVDD 2.5V。等待至少100µs后，将 (RESET =1) ，再等待至少13.5ms。然后将PVDD升至至少8V，确保在AVDD/DVDD达到3V后至少100µs内保持低于6V，再等待至少10µs。
• 对振荡器进行微调（向寄存器0x1B写入0x00），等待至少50ms。
• 通过 (I^{2} C) 配置DAP（具体值可参考用户指南）。
• 配置其余寄存器。
• 退出关机状态（按以下关机序列的退出步骤操作）。

（二）正常操作

正常操作期间支持的事件包括：写入主/通道音量寄存器、写入软静音寄存器、进入和退出关机状态（注意在AVDD/DVDD上电斜坡后微调后的240ms + 1.3 × (t{start }) 内不支持进入和退出关机操作，其中 (t{start }) 由寄存器0x1A指定）。

（三）关机序列

• 进入关机：向寄存器0x05写入0x40，等待至少 (1 ~ms + 1.3 ×t{stop }) （ (t{stop }) 由寄存器0x1A指定），若需要可重新配置，返回初始化序列的步骤4。
• 退出关机：向寄存器0x05写入0x00（AVDD/DVDD上电斜坡后微调后的240ms内退出关机命令可能不被处理），等待至少 (1 ~ms + 1.3 ×t{start }) （ (t{start }) 由寄存器0x1A指定），然后进行正常操作。

（四）掉电序列

• 若时间允许，按上述关机序列进入关机状态；若突然掉电，将 (overline{PDN}=0) ，等待至少2ms。
• 将 (RESET =0) 。
• 将数字输入置为低电平，降低PVDD电源，确保在 (RESET) 为低电平至少2µs后再降低PVDD，且PVDD在 (RESET) 为低电平至少2µs内保持高于8V。
• 降低AVDD/DVDD，确保在PVDD低于6V之前保持高于3V，且不低于数字输入2.5V。

六、寄存器总结

文档详细列出了TAS5713的串行控制接口寄存器，包括时钟控制寄存器、设备ID寄存器、错误状态寄存器、系统控制寄存器等。每个寄存器都有其特定的功能和初始值，工程师可以根据需要对这些寄存器进行配置和操作。

七、封装和机械数据

TAS5713采用PHP（S - PQFP - G48）PowerPAD TM塑料四方扁平封装，具有特定的尺寸和引脚配置。该封装设计有暴露的热焊盘，可焊接到印刷电路板（PCB）上，通过热过孔将热量传递到PCB的铜平面或特殊散热结构，优化集成电路（IC）的散热性能。文档还提供了详细的封装尺寸、引脚排列、焊盘设计等机械数据，以及示例电路板布局和模板设计，为工程师的设计提供了全面的参考。

TAS5713以其丰富的功能和出色的性能，为音频设备的设计提供了强大的支持。工程师在使用过程中，需要深入了解其各项特性和操作要求，结合具体的应用场景进行合理设计，以充分发挥其优势。大家在实际应用中有没有遇到什么问题呢？欢迎一起交流探讨。