汽車麥克風(fēng)偏置及故障檢測

汽車購買者對配備更高等級功能和更高品質(zhì)音響的更先進(jìn)汽車信息娛樂系統(tǒng)的需求越來越高，他們也開始期望車廂內(nèi)的噪音等級降低。因此，越來越常見電子工程師在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中指定麥克風(fēng)，從而使汽車乘客能在旅行時(shí)擁有更佳的用戶體驗(yàn)。

通常情況下，有兩種車載應(yīng)用要求麥克風(fēng)——即語音檢測和主動噪聲消減(ANC)。

1. 語音檢測 – 連接至手機(jī)的語音流要求此功能。它通常透過藍(lán)牙無線同步傳輸來承載。

2. ANC –  用于路面噪聲消減(RNC)及發(fā)動機(jī)級噪聲消減(EOC)，用于分別降低路面及發(fā)動機(jī)/排氣噪聲。此功能的實(shí)現(xiàn)憑借的是利用先進(jìn)的數(shù)字信號處理(DSP)算法以及信息娛樂系統(tǒng)的放大器和負(fù)載揚(yáng)聲器輸出，以產(chǎn)生經(jīng)過放大的反相(anti-phase)噪聲。如今，ANC技術(shù)在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)汽車RNC及EOC方面的應(yīng)用正大幅增多。

雖然語音傳輸傾向于使用單個(gè)(全向或單向型)麥克風(fēng)，但三維ANC主要依賴于位于車廂內(nèi)部不同部分的多個(gè)誤差麥克風(fēng)。對于這些應(yīng)用而言至關(guān)重要的是極低的噪聲偏置。此外，由于它們位于信息娛樂系統(tǒng)外部，這兩種情況下也要求有效的故障檢測。

關(guān)鍵的麥克風(fēng)供電要求

通常情況下，汽車麥克風(fēng)消耗的電流相對較低，具體則取決于麥克風(fēng)阻抗及集成放大級的類型。典型的單向麥克風(fēng)的電流消耗可能低至0.5  mA，而全向波束成形麥克風(fēng)則可能消耗20 mA電流。根據(jù)所要求的信噪比(SNR)及集成放大器類型的不同，供電電壓可能會在1.0 V至15.0  V之間變化，但大部分供電電壓電平介于5.0 V至8.0  V范圍。偏置麥克風(fēng)輸入線路要求指定的電源具有低噪聲及低電源抑制比(PSRR)，特別是處在人耳可聽范圍。這樣的要求就需要低噪聲線性穩(wěn)壓器。

麥克風(fēng)的位置遠(yuǎn)離信息娛樂系統(tǒng)也使情況變得更加復(fù)雜。位于外部的負(fù)載帶來了裝配及維護(hù)期間錯(cuò)誤連接的風(fēng)險(xiǎn)。因此，麥克風(fēng)電源需要能夠檢測錯(cuò)誤連接并保護(hù)自身。

麥克風(fēng)電源的原理

集成麥克風(fēng)穩(wěn)壓器為分立電路或高邊開關(guān)提供了具有吸引力的另一選擇，并提供充足的工作優(yōu)勢。內(nèi)置電流鏡使其能夠檢測麥克風(fēng)，并診斷負(fù)載中的故障狀況——這在汽車裝配和維護(hù)期間尤為重要，因?yàn)樵诖似陂g可能存在信息娛樂系統(tǒng)、麥克風(fēng)或它們之間線纜出現(xiàn)故障或裝配錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。因此，存在麥克風(fēng)穩(wěn)壓器輸出  (VOUT)對地短路、開路，或者機(jī)率較低的對電池短路等可能性。

麥克風(fēng)穩(wěn)壓器優(yōu)勢

典型的分立診斷及保護(hù)電路可能包含多達(dá)20顆分立元件，涉及高裝配成本、復(fù)雜的失效模式及效應(yīng)分析，以及消耗珍貴的微控制器資源來執(zhí)行指令及控制功能。與之相反的是，集成麥克風(fēng)穩(wěn)壓器是單顆IC，僅要求少量外部小信號元件。此外，集成方案細(xì)致地控制了技術(shù)參數(shù)，如限流精度及電流鏡，使制定故障策略、故障檢測閾值及最壞分析變得更加簡單直接。透過麥克風(fēng)穩(wěn)壓器控制可編程輸出電流及限流電平和IC啟用(enable)功能，可以達(dá)到分立電路設(shè)計(jì)固有的電路可編程能力方面的靈活性。提供精確及可調(diào)節(jié)的輸出電壓穩(wěn)壓，包括明確界定的環(huán)路穩(wěn)定性限制，表示受到完全保護(hù)的輸出可以設(shè)定為跟麥克風(fēng)輸入要求相關(guān)的目標(biāo)輸出電壓，配以采用低成本標(biāo)準(zhǔn)等效串聯(lián)電阻(ESR)輸出電容的穩(wěn)定環(huán)路。

圖1：分立麥克風(fēng)偏置電路示例(不含檢測或故障診斷功能)

AC Amplifier：交流放大器

Power Supply  Sense：電源及感測 應(yīng)用示例

圖2顯示了采用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用設(shè)置的麥克風(fēng)穩(wěn)壓器的示例。圖中使用的器件是安森美半導(dǎo)體新推出的NCV47551，這器件具有可調(diào)節(jié)輸出電壓，能采用外部電阻分壓器在3.3  V與20  V之間設(shè)定輸出電壓。從穩(wěn)壓器電流感測輸出(CSO)引腳獲得的鏡電流——此電流與負(fù)載電流的比例為固定值(通常是1:1)——可以被監(jiān)測為固定電阻對地的電壓(VCSO)，并且可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來采樣。電阻值RCSO還設(shè)定限流閾值電平。通過監(jiān)測CSO電壓，電流鏡可以用于區(qū)分開路、對地短路及正常工作條件。

圖2：使用安森美半導(dǎo)體NCV47551的麥克風(fēng)穩(wěn)壓器應(yīng)用電路圖

Optional for noise：可選元件，用于降低噪聲

由于麥克風(fēng)負(fù)載電流通常如此之低，電流鏡比例需要設(shè)定為不會導(dǎo)致開路檢測問題的值。在開路事件中，CSO電流將降至其最低值。但它需要保持足夠高，以確保  ADC輸入電容在其采樣和維持時(shí)間常數(shù)范圍內(nèi)充電。盡管這ADC本身也是CSO引腳的一個(gè)負(fù)載，由于CSO引腳結(jié)合了限流及電流監(jiān)測功能，如果檢測電流電平閾值太低的話，此負(fù)載可能會影響限流值。因此，在鏡電流比例為1:1的情況下，就可以省去外部緩沖器了。

通過監(jiān)測  VCSO值，可以使用ADC來檢測各種故障條件。在VOUT對地短路狀況中，負(fù)載阻抗下降至0，或者接近0，導(dǎo)致負(fù)載電流上升并觸發(fā)外部設(shè)定的電流極限，輸出電壓成正比反走。這導(dǎo)致VCSO瞬時(shí)上升至其上限。提供的第二重保護(hù)功能是使用設(shè)定為內(nèi)部固定值、環(huán)路響應(yīng)比預(yù)設(shè)電流極限更快的第二個(gè)默認(rèn)電流極限，確保啟動時(shí)的限流。還有更進(jìn)一步的保護(hù)，即使用位置跟穩(wěn)壓器線性旁路元件相鄰的熱感測器件(TSD)檢測的限熱閾值，以確保不超過最大結(jié)溫。如果此閾值被超過，那么穩(wěn)壓器將自我關(guān)閉，直到恢復(fù)原來狀態(tài)。

如果出現(xiàn)負(fù)載開路狀況，負(fù)載電流將下降至0或極接近于0。相應(yīng)地，VCSO將下降至接近地電勢，同時(shí)ICSO確保不高于足以為大多數(shù)ADC的輸入電容充電的電平，從而符合采樣及維持要求。雖然使用VCSO輸入不可能直接識別出對電池短路狀況，但在VOUT對電池短路狀況下，無論是在供電或不供電狀態(tài)，器件都受到保護(hù)。如果有需要的話，可以增加外部電路來檢測對電池短路狀況。

另一項(xiàng)重要考慮因素就是抑制噪聲。高直流增益提供將穩(wěn)壓器輸出噪聲降至最低的電源抑制比(PSRR)，還具備旁路用途，提供第二條高頻低阻抗通道，以分流高頻電流及進(jìn)一步降低輸出噪聲。為達(dá)此目的，使用了外部陶瓷旁路電容CNOISE。

NCV47551針對在汽車中使用而設(shè)計(jì)。它的啟用及輸入引腳能承受高達(dá)45 V峰值的ISO  16750-2負(fù)載突降脈沖，無需外部極性反向保護(hù)。此外，NCV47551還經(jīng)過專門設(shè)計(jì)以提供低噪聲電源，確保ADC在檢測麥克風(fēng)可能的故障狀況方面的兼容性。

結(jié)論

新一代的電流感測穩(wěn)壓器IC提供簡單的集成方案，為汽車音響及信息娛樂系統(tǒng)應(yīng)用中的大多數(shù)類型外部麥克風(fēng)供電。它們能夠監(jiān)測負(fù)載狀態(tài)，因而能夠提供極有效的故障診斷。如果出現(xiàn)重要故障狀況，它們還提供保護(hù)。