ZHCA883A January 2019 – September 2024 CSD13380F3 , PCM5102A , TPS3890 , TPS7A8300
設計說明
電源調節是音頻應用中的一個關鍵方面。汽車音響主機和高端售后市場汽車音頻系統中常見的電路將實現硬件級靜音，以確保音頻數模轉換器 (DAC) 和放大器在建立電源時能夠保持靜音。這些電源還需要一些調節，以降低耦合到音頻 DAC 中的噪聲。該電路顯示了一個用于為音頻 DAC 生成 +3.3V 電源的低噪聲、低壓降 (LDO) 穩壓器。LDO 的另一個好處是 LDO 可以在更寬的輸入電壓范圍內維持電源電壓。電壓監控器用于在 LDO 的源開始崩潰時通知 DAC，因此音頻 DAC 可以在其電源被移除之前對輸出進行軟靜音。這將減少關閉和啟動期間不必要的咔嗒聲或砰砰聲。
設計說明
- 在該電路中，當軟靜音引腳 (XSMT) 保持低電平時，DAC 會將輸出靜音，但并非所有 DAC 都采用低電平有效靜音輸入。某些器件為其他器件（如靜音開關和放大器）提供使能信號，這些器件要求 MUTE 為高電平有效。在這些情況下，可以在輸出端添加一個簡單的 N 溝道 MOSFET，從而使信號反相。
- 在加電事件期間，監控器 CT 引腳 (CCT) 上的電容器允許 SNS 引腳值上升到閾值電壓以上以及 SNS_OUT 變為高電平后具有額外的延遲。這可用于延遲 LDO 的 MUTE 輸出停用，以建立其電壓（因為它必須對輸出電容器進行充電）。此外，如果在 DAC 退出靜音之前有其他器件需要時間進行初始化，這將非常有用。可以使用以下公式計算額外的傳播延遲。
- 當器件的電源部分減小但不足以在器件內發出完全上電復位 (POR) 時，會發生欠壓事件。因此，建議在這些事件期間確認完全復位。監控電路可以實現這一點，因為 XSMT 引腳充當音頻 DAC 的復位電路。
- 大多數音頻 DAC 采用 VCOM 或 VREF 架構。VCOM 架構使用電源中的簡單分壓器來創建輸出振幅基準。這是很優越的架構，因為它可以確保當電源不是標稱值時不會有來自 DAC 的輸出削波，因為輸出會隨輸入電壓的變化而相應地變化。該架構的缺點是電源噪聲的電源抑制比 (PSRR) 有限。雖然音頻 DAC 的 VCOM 引腳上的電容器將提供一些濾波功能，但它仍可能影響輸出。
在 VREF 配置的架構中，音頻 DAC 生成內部基準。這將為系統帶來更好的 PSRR 性能。該設計的缺點是如果電源電壓下降，輸出可能會削減。
設計步驟
- 選擇根據電流輸出能力、電壓輸入范圍和輸出噪聲來選擇 LDO 穩壓器。為音頻 DAC 供電的 LDO 必須至少能夠提供所需的 DAC 電流。此外，如果同一總線上有其他器件（如放大器），則必須考慮這些器件的靜態電流。LDO 輸入電壓范圍必須適應主電源，假設該電路中的主電源是一節 12V 的電池。
- 必須計算反饋 (FB) 電壓以提供正確的輸出電壓。在該電路中，可以通過以下所示的公式計算電阻器 R1 和 R2。
鑒于 VDD 的設計目標為 +3.3V，并且該 LDO 的 VREF 約為 0.8V，請使用 35.7kΩ 的 R1 和 11.5kΩ 的 R2。此外，請注意 FB 節點具有電流要求，建議在選擇 R2 時使用以下公式作為指導。
- 選擇電壓監控器以實現系統所需的功能。在該電路中，所選的監控器具有使能輸入引腳。利用該功能，用戶（或微控制器）可以使用于覆蓋監控器輸出的信號靜音。此外，一些監控器允許監控多個電源軌，這對輸出放大器很有用。
- 可以使用以下公式計算檢測電壓。
當 SNS 電壓低于基準電壓（約 1.15V）時，SNS-OUT 引腳被拉低。對 R3 使用 10kΩ 并對 R4 使用 2kΩ，如果 VBATTERY 電源降至低于約 6.9V，則器件會靜音。
LDO 使用電容器 CNR/SS 來降低噪聲并啟用 LDO 軟啟動功能。
- 根據應用需求來選擇 DAC。考慮所需的 SNR、THD+N 和支持的 I2S 接口采樣率。雖然大多數音頻 DAC 支持 16kHz 至 192kHz 的采樣率，但并非所有音頻 DAC 都支持 384kHz 或 768kHz 等采樣率。較高的采樣率會導致噪聲整形，從而使帶外噪聲進一步遠離可聞范圍，但并非所有音頻源都能提供這些采樣率。
- 用于音頻濾波器的電容器應為 COG、NP0 型陶瓷電容器。COG、NP0 型電容器具有較低的電容電壓系數，這意味著組件的電容值受器件兩端電壓偏置的影響較小。由于電容器是濾波器性能的關鍵，因此應避免在信號路徑中使用其他類型的陶瓷電容器。
- 用于 LDO 輸入和輸出的電容器應具有低等效串聯電阻 (ESR)，例如 X7R-、X5R- 和 COG- 型電容器。
- 用于 LDO 和電壓監控器的電阻器可以是厚膜，但電阻分壓器的精度會影響 LDO 輸出電壓和監控器閾值。因此，建議 R1、R2、R3 和 R4 的最大容差為 1%。
- 建議針對 DAC 輸出濾波器中的電阻元件使用薄膜電阻器。
加電靜音瞬態
以下仿真顯示了電路的加電瞬態。可以看到，直到 VBAT 輸入達到大約 6.9V 時才釋放 MUTE 輸出。
斷電靜音瞬態
以下仿真顯示，當 VBAT 輸入降至 6.9V 以下時，MUTE 輸出置為低電平。
欠壓靜音瞬態
以下仿真展示，DAC 在 VDD 電源受到欠壓事件影響之前將處于靜音狀態。當 VBAT 電壓降至約 6.9V 以下時，MUTE 信號會置于低電平。VBAT 恢復后，MUTE 信號會取消置位。
設計中采用的器件
| 器件 | 主要特性 | 鏈路 | 其他可能的器件 |
|---|---|---|---|
| PCM5102A | 具有 32 位 384kHz PCM 接口的 2VRMS DirectPath?、112dB 音頻立體聲 DAC | 具有 32 位 384kHz PCM 接口的 2VRMS DirectPath?、112dB 音頻立體聲 DAC | 音頻 DAC |
| TPS7A8300 | 2A、6μVRMS、低噪聲 LDO 穩壓器 | 具有電源正常指示功能的 2A、低輸入電壓、低噪聲、超低壓降穩壓器 | 線性和低壓降 (LDO) 穩壓器 |
| TPS389001 | 具有可編程延遲的低靜態電流、1% 精度電壓監控器 | 具有可編程延遲的低靜態電流、1% 精度監控器 | 監控器和復位 IC |
| CSD13380F3 | 12V N 溝道 FemtoFET? MOSFET | 采用 0.6mm x 0.7mm LGA 封裝、具有柵極 ESD 保護的單路、76mΩ、12V、N 溝道 NexFET? 功率 MOSFET | MOSFET |
設計參考資料
德州儀器 (TI)，SBAM414 電路配套仿真文件，軟件