TAS5713：高效數(shù)字音頻功率放大器的詳細(xì)剖析

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的功率放大器至關(guān)重要。TI公司的TAS5713數(shù)字音頻功率放大器，以其高效、多功能的特性，成為眾多工程師的首選。下面，我們就來(lái)深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

TAS5713是一款25W的高效數(shù)字音頻功率放大器，主要用于驅(qū)動(dòng)立體聲橋接揚(yáng)聲器。它支持單串行數(shù)據(jù)輸入，可處理多達(dá)兩個(gè)離散音頻通道，能與大多數(shù)數(shù)字音頻處理器和MPEG解碼器無(wú)縫集成。該設(shè)備能接受廣泛的輸入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)速率，通過(guò)完全可編程的數(shù)據(jù)路徑將這些通道路由到內(nèi)部揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器。

二、產(chǎn)品特性

（一）音頻輸入/輸出特性

• 功率輸出：在20V電源下，可向8Ω負(fù)載提供25W功率。
• 電源范圍：PVDD范圍寬，從8V到26V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 配置支持：支持BTL配置，搭配4Ω負(fù)載，采用高效的D類操作，無(wú)需散熱片。
• 輸入格式：具有一個(gè)串行音頻輸入（兩個(gè)音頻通道），支持8kHz至48kHz的采樣率（LJ/RJ/I2S）。
• 地址選擇：設(shè)有I2C地址選擇引腳（芯片選擇），方便進(jìn)行地址配置。

（二）音頻/PWM處理特性

• 音量控制：獨(dú)立通道音量控制，增益范圍從24dB到靜音，可靈活調(diào)節(jié)音量。
• 動(dòng)態(tài)范圍控制：可編程的雙頻段動(dòng)態(tài)范圍控制（DRC），可作為功率限制器，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器保護(hù)、輕松聆聽(tīng)和夜間模式聆聽(tīng)等功能。
• 音頻處理：擁有22個(gè)可編程雙二階濾波器，用于揚(yáng)聲器均衡和其他音頻處理功能；還具備可編程的DRC濾波器系數(shù)和直流阻塞濾波器。

（三）通用特性

• 控制接口：采用I2C串行控制接口，無(wú)需MCLK即可運(yùn)行，僅需3.3V和PVDD電源。
• 振蕩器：無(wú)外部振蕩器，采用內(nèi)部振蕩器進(jìn)行自動(dòng)速率檢測(cè)。
• 封裝形式：采用48引腳、7mm×7mm的HTQFP表面貼裝封裝。
• 保護(hù)功能：具備熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，A加權(quán)信噪比達(dá)106dB，支持AD和BD PWM模式，效率高達(dá)90%。

三、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。TAS5713的電源電壓、輸入電壓、輸出電壓等都有明確的限制范圍，例如DVDD和AVDD的范圍是 -0.3V至3.6V，PVDD_x的范圍是 -0.3V至30V等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守這些額定值，避免器件損壞。

（二）推薦工作條件

為了使TAS5713發(fā)揮最佳性能，需要在推薦的工作條件下使用。包括數(shù)字/模擬電源電壓、半橋電源電壓、輸入電壓的高低電平范圍、工作環(huán)境溫度范圍、負(fù)載阻抗等都有相應(yīng)的要求。例如，數(shù)字/模擬電源電壓DVDD和AVDD的推薦值為3V至3.6V，半橋電源電壓PVDD_x的范圍是8V至26V。

（三）PWM操作

在推薦工作條件下，TAS5713的輸出采樣率根據(jù)不同的數(shù)據(jù)速率有所不同。例如，11.025/22.05/44.1kHz數(shù)據(jù)速率（±2%）時(shí)，輸出采樣率為352.8kHz；48/24/12/8/16/32kHz數(shù)據(jù)速率（±2%）時(shí)，輸出采樣率為384kHz。

（四）PLL輸入?yún)?shù)和外部濾波器組件

PLL輸入?yún)?shù)和外部濾波器組件對(duì)于保證時(shí)鐘的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性非常重要。MCLK頻率、占空比、上升/下降時(shí)間等都有具體的要求，同時(shí)外部PLL濾波器的電容和電阻也有相應(yīng)的推薦值。例如，MCLK頻率范圍是2.8224MHz至24.576MHz，占空比為40%至60%。

（五）電氣特性詳細(xì)參數(shù)

文檔中還給出了DC特性和AC特性的詳細(xì)參數(shù)，包括高電平輸出電壓、低電平輸出電壓、輸入電流、電源電流、漏源電阻、欠壓保護(hù)極限、過(guò)溫誤差等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。

四、功能模塊詳解

（一）電源供應(yīng)

TAS5713僅需3.3V電源和典型的18V功率級(jí)電源，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為柵極驅(qū)動(dòng)電路提供合適的電壓。每個(gè)半橋都有獨(dú)立的自舉引腳（BST_x）和功率級(jí)電源引腳（PVDD_x），設(shè)計(jì)時(shí)要注意將去耦電容盡可能靠近相關(guān)引腳放置，避免電源引腳和去耦電容之間的電感。自舉電路需要連接小陶瓷電容，以確保在PWM開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)為高端柵極驅(qū)動(dòng)器提供合適的電壓。

（二）I2C芯片選擇

A_SEL_FAULT引腳在電源啟動(dòng)時(shí)作為輸入引腳，可通過(guò)上拉（15kΩ上拉）或下拉（15kΩ下拉）來(lái)設(shè)置I2C子地址。高電平表示子地址為0x36，低電平表示子地址為0x34。如果需要更改I2C設(shè)備地址，可按照特定的步驟進(jìn)行操作。

（三）單濾波器PBTL模式

TAS5713支持并行BTL（PBTL）模式，通過(guò)將OUT_A/OUT_B（和OUT_C/OUT_D）在LC濾波器之前連接實(shí)現(xiàn)。將PBTL引腳（引腳8）置為高電平可使器件進(jìn)入PBTL配置，同時(shí)需要更新PWM輸出多路復(fù)用器和PWM關(guān)閉寄存器。

（四）設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)

• 過(guò)流保護(hù)：設(shè)備在所有高端和低端功率級(jí)FET上都有獨(dú)立、快速反應(yīng)的電流檢測(cè)器。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)，首先進(jìn)行逐周期電流限制，若高電流情況持續(xù)，則觸發(fā)鎖存關(guān)閉，將功率級(jí)設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，故障排除后可恢復(fù)正常運(yùn)行。
• 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)器件結(jié)溫超過(guò)150°C（標(biāo)稱值）時(shí)，設(shè)備進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，所有半橋輸出設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，A_SEL_FAULT引腳置為低電平。溫度下降約30°C后自動(dòng)恢復(fù)。
• 欠壓保護(hù)和上電復(fù)位：UVP和POR電路可在任何上電/掉電和電壓驟降情況下保護(hù)設(shè)備。上電時(shí)，POR電路復(fù)位過(guò)載電路，確保所有電路在PVDD和AVDD達(dá)到7.6V和2.7V時(shí)完全正常工作。當(dāng)AVDD或任何PVDD引腳的電源電壓降至UVP閾值以下時(shí)，所有半橋輸出立即設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，A_SEL_FAULT引腳置為低電平。

（五）故障指示

A_SEL_FAULT引腳在復(fù)位后可通過(guò)寫入 (I^{2} C) 寄存器0x05的第0位將其編程為輸出引腳。該引腳為低電平時(shí)表示出現(xiàn)過(guò)流（OC）、欠壓（UVP）、過(guò)溫（OTE）或過(guò)壓等錯(cuò)誤，為高電平時(shí)表示正常運(yùn)行。

（六）SSTIMER功能

SSTIMER引腳通過(guò)連接電容到地來(lái)控制所有通道關(guān)閉后輸出占空比的變化。電容通過(guò)內(nèi)部電流源緩慢充電，充電時(shí)間決定了輸出從接近零占空比過(guò)渡到所需占空比的速率，從而實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，減少可聽(tīng)的噗噗聲和咔嗒聲。

（七）時(shí)鐘、自動(dòng)檢測(cè)和PLL

TAS5713是 (I^{2} ~S) 從設(shè)備，接受MCLK、SCLK和LRCLK。數(shù)字音頻處理器（DAP）支持時(shí)鐘控制寄存器中定義的所有采樣率和MCLK速率。設(shè)備具有強(qiáng)大的時(shí)鐘錯(cuò)誤處理功能，能快速檢測(cè)時(shí)鐘變化/錯(cuò)誤，在檢測(cè)到問(wèn)題時(shí)靜音音頻，強(qiáng)制PLL使用內(nèi)部振蕩器作為參考時(shí)鐘，時(shí)鐘穩(wěn)定后自動(dòng)檢測(cè)新速率并恢復(fù)正常運(yùn)行。

（八）串行數(shù)據(jù)接口

串行數(shù)據(jù)通過(guò)SDIN輸入，PWM輸出由SDIN派生而來(lái)。TAS5713 DAP接受16位、20位或24位左對(duì)齊、右對(duì)齊和I2S串行數(shù)據(jù)格式。

（九）PWM部分

TAS5713 DAP使用噪聲整形和定制的非線性校正算法，實(shí)現(xiàn)高功率效率和高性能的數(shù)字音頻再現(xiàn)。采用四階噪聲整形器提高音頻頻段的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比。PWM部分接受來(lái)自DAP的24位PCM數(shù)據(jù)，輸出兩個(gè)BTL PWM音頻輸出通道。還具備獨(dú)立通道的直流阻塞濾波器和去加重濾波器，可根據(jù)需要啟用或禁用，同時(shí)PWM部分的最大調(diào)制限制可在93.8%至99.2%之間調(diào)整。

（十）串行接口控制和時(shí)序

• I2S時(shí)序：I2S時(shí)序使用LRCLK定義數(shù)據(jù)是左聲道還是右聲道，數(shù)據(jù)通過(guò)32、48或 (64 ×f_{S}) 的位時(shí)鐘輸入，數(shù)據(jù)在LRCLK信號(hào)狀態(tài)改變后一個(gè)位時(shí)鐘開(kāi)始傳輸，MSB優(yōu)先，在位時(shí)鐘上升沿有效。
• 左對(duì)齊和右對(duì)齊時(shí)序：左對(duì)齊和右對(duì)齊時(shí)序也使用LRCLK定義聲道，數(shù)據(jù)通過(guò)相應(yīng)的位時(shí)鐘輸入，在不同的時(shí)刻開(kāi)始傳輸，同樣MSB優(yōu)先，在位時(shí)鐘上升沿有效。

（十一）I2C串行控制接口

TAS5713 DAP具有雙向IC接口，與Inter IC（ (I^{2} C) ）總線協(xié)議兼容，支持100kHz和400kHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，用于單字節(jié)和多字節(jié)的讀寫操作。作為僅從設(shè)備，不支持多主總線環(huán)境或插入等待狀態(tài)?？刂平涌谟糜趯?duì)設(shè)備寄存器進(jìn)行編程和讀取設(shè)備狀態(tài)。

（十二）動(dòng)態(tài)范圍控制（DRC）

DRC方案具有單個(gè)閾值、偏移和斜率（均可編程），有一個(gè)用于高頻段左右聲道的聯(lián)動(dòng)DRC和一個(gè)用于低頻段左右聲道的DRC。它可以自動(dòng)調(diào)整音量，使音量水平更加平穩(wěn)，避免明顯的削波現(xiàn)象。

（十三）銀行切換

TAS5713采用銀行切換方法結(jié)合自動(dòng)采樣率檢測(cè)。所有需要根據(jù)不同采樣率更改的處理功能存儲(chǔ)在三個(gè)銀行中，用戶可對(duì)采樣率與銀行的映射進(jìn)行編程。默認(rèn)情況下，銀行1用于32kHz模式，銀行2用于44.1/48kHz模式，銀行3用于其他速率。啟用自動(dòng)銀行切換后，設(shè)備可自動(dòng)檢測(cè)輸入采樣率的變化并切換到相應(yīng)的銀行，無(wú)需MCU干預(yù)。

五、初始化和操作序列

（一）初始化序列

• 保持所有數(shù)字輸入低電平，將AVDD/DVDD升至至少3V。
• 初始化數(shù)字輸入和PVDD電源，設(shè)置 (RESET =0) ， (overline{PDN}=1) ，其他數(shù)字輸入設(shè)置為所需狀態(tài)，確保不超過(guò)AVDD/DVDD 2.5V。等待至少100μs后，將 (RESET =1) ，再等待至少13.5ms。然后將PVDD升至至少8V，確保在AVDD/DVDD達(dá)到3V后至少100μs內(nèi)保持低于6V，再等待至少10μs。
• 對(duì)振蕩器進(jìn)行微調(diào)（向寄存器0x1B寫入0x00），等待至少50ms。
• 通過(guò) (I^{2} C) 配置DAP（具體值可參考用戶指南）。
• 配置其余寄存器。
• 退出關(guān)機(jī)狀態(tài)（按以下關(guān)機(jī)序列的退出步驟操作）。

（二）正常操作

正常操作期間支持的事件包括：寫入主/通道音量寄存器、寫入軟靜音寄存器、進(jìn)入和退出關(guān)機(jī)狀態(tài)（注意在AVDD/DVDD上電斜坡后微調(diào)后的240ms + 1.3 × (t{start }) 內(nèi)不支持進(jìn)入和退出關(guān)機(jī)操作，其中 (t{start }) 由寄存器0x1A指定）。

（三）關(guān)機(jī)序列

• 進(jìn)入關(guān)機(jī)：向寄存器0x05寫入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驟4。
• 退出關(guān)機(jī)：向寄存器0x05寫入0x00（AVDD/DVDD上電斜坡后微調(diào)后的240ms內(nèi)退出關(guān)機(jī)命令可能不被處理），等待至少 (1 ~ms + 1.3 ×t{start }) （ (t{start }) 由寄存器0x1A指定），然后進(jìn)行正常操作。

（四）掉電序列

• 若時(shí)間允許，按上述關(guān)機(jī)序列進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)；若突然掉電，將 (overline{PDN}=0) ，等待至少2ms。
• 將 (RESET =0) 。
• 將數(shù)字輸入置為低電平，降低PVDD電源，確保在 (RESET) 為低電平至少2μs后再降低PVDD，且PVDD在 (RESET) 為低電平至少2μs內(nèi)保持高于8V。
• 降低AVDD/DVDD，確保在PVDD低于6V之前保持高于3V，且不低于數(shù)字輸入2.5V。

六、寄存器總結(jié)

文檔詳細(xì)列出了TAS5713的串行控制接口寄存器，包括時(shí)鐘控制寄存器、設(shè)備ID寄存器、錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器、系統(tǒng)控制寄存器等。每個(gè)寄存器都有其特定的功能和初始值，工程師可以根據(jù)需要對(duì)這些寄存器進(jìn)行配置和操作。

七、封裝和機(jī)械數(shù)據(jù)

TAS5713采用PHP（S - PQFP - G48）PowerPAD TM塑料四方扁平封裝，具有特定的尺寸和引腳配置。該封裝設(shè)計(jì)有暴露的熱焊盤，可焊接到印刷電路板（PCB）上，通過(guò)熱過(guò)孔將熱量傳遞到PCB的銅平面或特殊散熱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化集成電路（IC）的散熱性能。文檔還提供了詳細(xì)的封裝尺寸、引腳排列、焊盤設(shè)計(jì)等機(jī)械數(shù)據(jù)，以及示例電路板布局和模板設(shè)計(jì)，為工程師的設(shè)計(jì)提供了全面的參考。

TAS5713以其豐富的功能和出色的性能，為音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。工程師在使用過(guò)程中，需要深入了解其各項(xiàng)特性和操作要求，結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒(méi)有遇到什么問(wèn)題呢？歡迎一起交流探討。