D類功放“爆破音”機理與抑制措施淺析

 D類功率放大器以高輸出功率，高效率，小體積等優(yōu)點，在車載音響領(lǐng)域異軍突起。在數(shù)字D類功放剛上電或功放播放狀態(tài)切換時，人耳偶爾會聽到“嘣”的聲音，我們把這個爆破的聲音稱為pop noise。數(shù)字功放pop noise 出現(xiàn)的原因有很多，本文主要分析pop noise出現(xiàn)原因，并提供相應解決方法。

    Pop noise成因有以下5點：

    下面關(guān)于5點原因都做一個簡單介紹。

1、電容充放電

    上圖所示為單端輸入功放，A1是比較放大器，用于設(shè)置增益，增強輸入信號的負載能力。A2輸出同A1輸出完全反向。Modulator用于信號調(diào)制，將輸入的模擬信號與三角波比較，生成PWM波驅(qū)動外圍MOS。比較放大器A1的一端直連參考電壓Vref，另一端通過RIN、CIN連接輸入音頻信號。

    在系統(tǒng)上電時，Vref立刻上升到參考電壓值，而A1的另一端則需要通過給RIN、CIN充電，在經(jīng)一段時間后才能上升到參考電壓值。A1兩端的電壓差經(jīng)放大后，輸出產(chǎn)生pop noise。該場景下可通過降低輸入電容值，如換成1uf或0.47uf來實現(xiàn)降低 pop noise。

    對于差分功放而言，如果P端和N端的輸出外圍硬件電路不匹配或者輸入外圍硬件電路不匹配，功放兩端輸入信號建立時間會不一樣，該差分信號差也會輸入功放并形成pop音。如下圖所示，若A1兩端電壓上升速度一致，pop noise為0。5ns的信號建立時間差即可產(chǎn)生人耳可聽到的pop音。

不同充電速度下的POP Noise 

    2、PWM啟動和暫停

    在系統(tǒng)掉電或上電，功放播放狀態(tài)切換，或輸入音源切換時，PWM會產(chǎn)生啟停，進而產(chǎn)生瞬態(tài)的POP音。如下圖所示，在連續(xù)PWM動作時，開關(guān)頻率及其附近的鏡像頻率都可以順利的被LC濾波器濾除。而在PWM啟停時，開關(guān)頻率及其奇次諧波會延伸到人耳可聽的20-2kHz范圍內(nèi)。該開關(guān)頻率低于LC濾波器的截止頻率，不能被濾除進而產(chǎn)生pop音。

    連續(xù)PWM及PWM啟動的時頻域圖：

    對于BTL結(jié)構(gòu)的功放在進行AD調(diào)制時，PWM開啟第一個Duty cycle，如果A-side拉低，Bootstrap 電容可以順利充電，但B-side在此時拉高，這使得Bootstrap電容充電失敗。Bootstrap電容提供N MOSFET的充電電壓，如Bootstrap電容充電失敗，則B-side 第一個PWM不能正常輸出。A-side和B-side的不平衡輸出會產(chǎn)生明顯的POP音。TI針對該類pop noise進行了優(yōu)化，在AD和BD調(diào)制中，都使得第一個PWM為低，進而消除Clock fault。

    AD調(diào)制PWM開啟示意圖

    3、上下電順序錯誤

    音頻系統(tǒng)有嚴格的上下電順序。通常功放的供電電壓會比SOC的供電電壓高，也比SOC電壓建立時間早。為避免pop noise在SOC上電及功放上電時發(fā)生，要保持功放為Hi-zi/standby狀態(tài)，且待功放充分充電后(20ms)，再開啟PWM波，輸入音源。同理在功放斷電時，為避免掉電速度不一致，我們需要Mute 并將Standby引腳拉低15ms后再進行掉電。TI 的PurePath Digital 具有優(yōu)化后的啟動序列，這使得可聽音頻帶的pop音盡可能小。

    4、PVDD電壓/Gain值急速抬升

    PVDD電壓急劇上升或Gain值急速抬升均會導致pop noise 出現(xiàn)。在進行原理圖繪制時，需要將Cstart軟啟動電容設(shè)置在合理的范圍內(nèi)，防止PVDD急速上升。此外，針對某些功放在開機第一次POP noise出現(xiàn)后，還出現(xiàn)了第二次pop noise。這是因為功放在上電后，增益值會以一定步長爬升到設(shè)定增益，如果步長設(shè)定值過大，會導致pop noise的出現(xiàn)。

    5、Hizi-play 狀態(tài)切換Clock Fault

    如果喇叭不僅僅在開機或者狀態(tài)轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)pop 音，而是當功放從Hi-zi切換到play時，連續(xù)出現(xiàn)POP noise，此時應當檢查是否出現(xiàn)Clock Fault。以TI的芯片TAS6424L/M-Q1系列為例，硬件工程師可以斷開SOC的IIC控制，并將IIC通過USB轉(zhuǎn)接板連接到PPC3進行Clock Fault檢驗。

    若此時出現(xiàn)Clock Fault 應檢查輸入音頻信號I2S/TDM是否滿足數(shù)據(jù)手冊的要求（見數(shù)據(jù)手冊Electrical Characteristics 中Serial Audio Port）。此外，數(shù)據(jù)手冊中還有其他特殊情況的說明，以TAS6424L/M-Q1系列為例，如果客戶將SCLK和MCLK連接到一起，F(xiàn)SYNC需要為2 MCLK以上。若SOC為高通8155系列，F(xiàn)YSNC輸出共有3個選項：第一是2MCLK ，第二是50% duty cycle ，第三為1 slot，我們可以選擇后兩項作為FSYNC輸入。