一款D类功率放大器（TAS2505-Q1）分析
本文分析了tas2505-q1连接扬声器偶发没有声音情况，总结了常见的可能原因，并提供具体的排查方向和解决措施。
tas2505-q1 是一款支持数字和模拟输入的车规级d类功率放大器，其输出功率可达2.6w。内部集成了ldo，能够单电源供电，简化了供电电路的设计。除此之外，tas2505-q1内部还集成了dsp功能，使得此芯片对音频有一定的处理能力，更进一步地简化了电路设计。此芯片还提供i2c&spi数字通信接口，价格便宜，满足低成本的设计要求。在过去的10多年内得到了市场的广泛认可，有良好的口碑，是汽车仪表盘、紧急呼叫(ecall)和远程通信应用的理想选择。
故障描述
在tas2505-q1的应用案例中，出现问题的状况主要表现为上电后偶发扬声器没有声音，其对应的tas2505-q1的 输出端spkp & spkm没有输出。出现这个问题的情况应当从硬件方向和软件方向考虑。
图1. tas2505-q1框图
硬件方向
上电时序以及电源稳定性，时钟状态，输出端是否过流
1. 上电时序以及电源稳定性
图2. tas2505-q1内部框图
a: avdd和iovdd的是否是同一个电源，其时序如下图，spkvdd>iovdd>avdd/dvdd>rst>iic指令。且需要满足如图，的时间间隔要求。
图3 avdd和iovdd同电源上电时序要求
表1 avdd和iovdd同电源上电时序间隔时间
b: avdd和iovdd不是同一个电源，其时序如下图，spkvdd>iovdd>avdd>dvdd>rst>iic指令。
图4. avdd和iovdd不同电源时序要求
表2 avdd和iovdd不同电源上电时序间隔时间
排查时需要注意除了对应的时序，还需要检查各个电源轨是否电压工作正常，如avdd/dvdd是否在上电时达到了1.8v。avdd及dvdd分别是对内部的模拟器件和数字电路供电，支持1.8v供电，如果此电源供电不稳定，那么芯片内部的寄存器和dac等工作状态就不可控，也会出现tas2505-q1没有输出的情况。在实际应用中，简化电路可将avdd和dvdd采用一个1.8v电源共同提供(建议使用外部ldo 而不是 tas2505-q1 的内部 ldo)。对应电源电压如表3。
表3. tas2505-q1电源要求
如果在上电过程中不满足时序和电平要求会导致tas2505-q1初始化失败，偶发出现tas2505-q1的输出端为低电平，从而导致扬声器无声故障。
2. 时钟状态
tas2505-q1的内部时钟和i2s时钟，dac参考内部时钟，其中内部时钟有两种来源——bclk (audio serial bit clock) 和mclk (external master clock)，内部选择其中一个即可。bclk是模块内的同步信号，tas2505-q1的bclk即可以由外部提供，也可以由芯片提供(此时就需要使用mclk)。内部pll的输入由bclk/mclk分频得出，如果bclk/mclk工作不稳定，内部pll也会不稳定，尤其在使用iic/spi对芯片寄存器进行操作时，就可能导致芯片访问异常，从而发生tas2505-q1工作不正常的情况，其外部表现为偶发没有声音输出。所以在访问芯片过程中需要保证iic/spi信号接收/发送时bclk/mclk稳定。
3. 输出端是否过流
通常 class d 功放芯片都会设计有过流保护功能，在输出电流超过限流阀值后芯片自动关闭驱动信号停止输出。一般的过流保护是由于输出功率超过额定或者输出短路而引起。还有一种特殊的过流保护现象是由于高次谐波能量过大引起。高次谐波过流保护是一种特殊的过功率现象。通常用户的电路设计完全正确，常规功率测试未超过额定功率。这种保护具有以下几个特征：
问题机器在1khz 标准音频信号测试时输出功率并未超过最大输出功率。
播放高频成分较多的歌曲较容易出现保护。
使用水泥电阻代替喇叭作为负载，保护现象消失。
减小，或者去掉输出lc 滤波器的电容，保护现象消失。
解决方法：
减小 lc 滤波器网络的电容c 的值可以增大lc 滤波器的截止频率。使得截止频率远大于高次谐波可能达到的频率。通常将电容值减小5 倍以上即可有效抑制高次谐波过流保护的问题。
优点：无需修改电路，只需要修改参数值。
缺点：lc 网络滤波效果变差，开关纹波增加，emi 有可能恶化。
软件方向
检查正常状态和异常状态寄存器的配置
找到其差异点，并针对差异点查阅规格书或应用指南，发现问题。
软件初始化的寄存器配置
图5. class-d和dac内部框图
检查初始化软件配置，需要保证dac(p0, r63, d7 = 1, d5-d4 = 01, d3-d2 =00, d1-d0=00)开启后, 再开启class-d(p1, r45, d1=1) , 如图6。如果顺序错误会导致初始化的时候失败, 芯片内部工作不正常, 偶发tas2505-q1无输出, 扬声器没有声音。
图6. class-d和dac正确顺序
调查举例
案例的故障描述如下：
what: 车辆启动后不出声音， tas2505-q1设计在仪表盘板卡中，车辆启动后应当有对应的提示音。
who: 车厂测试工程师
when: 车辆0km测试过程中
where: 车厂 + 汽车仪表供应商
how: 车辆冷启动的时候，本来仪表会通过 tas2505-q1发出开机提示音。但是没有发生声音。后测量其tas2505-q1的spkp&spkm，发现在出问题时没有输出，正常情况下有稳定的方波输出，车厂进行aba后故障跟随芯片。
how much：出现此情况的芯片复现的概率为30%。
故障分析
1.主控平台在异常状态和正常状态均有正常的i2s输出，且芯片和spkp&spkm没有输出，故排除异常状态由主控平台未给出音频导致，推断为芯片工作状态不正常。
芯片进入过压过流过温等保护状态，芯片异常状态下，环境温度30℃，板卡工作温度50℃，且芯片的供电：spkvdd = 5v; iovdd = 3.3v; avdd = dvoo = 1.8v; 电压工作正常。
排查如下：
硬件方向:
确认是否出现输出过流保护，检查输出外部电感和电容。
结果：去除输出lc滤波电路，此现象仍然出现。
检查上电时序，测试结果符合上电时序要求，spkvdd>iovdd>avdd/dvdd>rst>iic指令。
软件方向:
查验寄存器配置 ，发现其故障原因是芯片在初始化过程中先打开了class-d, 后打开dac。正确顺序应该是先打开dac再打开class-d，修改为正确寄存器顺序后，高低温压测1000次，故障未在出现。
故此次故障的原因为 ：芯片初始化过程中颠倒了 class-d和 dac开启顺序，从而导致芯片偶发初始化失败。
图7. class-d和dac错误顺序
总结
本文分析了tas2505-q1在应用过程中出现问题的原因，并且从硬件和软件方向提出了故障排查指南，并给出相应的优化措施，有助于工程师在设计出鲁棒性更强的音频系统。同时，有助于工程师在遇见相似问题时能够更高效地排查故障 。另外，给出一个实际用例，供大家参考。
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故障描述
在tas2505-q1的应用案例中，出现问题的状况主要表现为上电后偶发扬声器没有声音，其对应的tas2505-q1的 输出端spkp & spkm没有输出。出现这个问题的情况应当从硬件方向和软件方向考虑。
图1. tas2505-q1框图
硬件方向
上电时序以及电源稳定性，时钟状态，输出端是否过流
1. 上电时序以及电源稳定性
图2. tas2505-q1内部框图
a: avdd和iovdd的是否是同一个电源，其时序如下图，spkvdd>iovdd>avdd/dvdd>rst>iic指令。且需要满足如图，的时间间隔要求。
图3 avdd和iovdd同电源上电时序要求
表1 avdd和iovdd同电源上电时序间隔时间
b: avdd和iovdd不是同一个电源，其时序如下图，spkvdd>iovdd>avdd>dvdd>rst>iic指令。
图4. avdd和iovdd不同电源时序要求
表2 avdd和iovdd不同电源上电时序间隔时间
排查时需要注意除了对应的时序，还需要检查各个电源轨是否电压工作正常，如avdd/dvdd是否在上电时达到了1.8v。avdd及dvdd分别是对内部的模拟器件和数字电路供电，支持1.8v供电，如果此电源供电不稳定，那么芯片内部的寄存器和dac等工作状态就不可控，也会出现tas2505-q1没有输出的情况。在实际应用中，简化电路可将avdd和dvdd采用一个1.8v电源共同提供(建议使用外部ldo 而不是 tas2505-q1 的内部 ldo)。对应电源电压如表3。
表3. tas2505-q1电源要求
如果在上电过程中不满足时序和电平要求会导致tas2505-q1初始化失败，偶发出现tas2505-q1的输出端为低电平，从而导致扬声器无声故障。
2. 时钟状态
tas2505-q1的内部时钟和i2s时钟，dac参考内部时钟，其中内部时钟有两种来源——bclk (audio serial bit clock) 和mclk (external master clock)，内部选择其中一个即可。bclk是模块内的同步信号，tas2505-q1的bclk即可以由外部提供，也可以由芯片提供(此时就需要使用mclk)。内部pll的输入由bclk/mclk分频得出，如果bclk/mclk工作不稳定，内部pll也会不稳定，尤其在使用iic/spi对芯片寄存器进行操作时，就可能导致芯片访问异常，从而发生tas2505-q1工作不正常的情况，其外部表现为偶发没有声音输出。所以在访问芯片过程中需要保证iic/spi信号接收/发送时bclk/mclk稳定。
3. 输出端是否过流
通常 class d 功放芯片都会设计有过流保护功能，在输出电流超过限流阀值后芯片自动关闭驱动信号停止输出。一般的过流保护是由于输出功率超过额定或者输出短路而引起。还有一种特殊的过流保护现象是由于高次谐波能量过大引起。高次谐波过流保护是一种特殊的过功率现象。通常用户的电路设计完全正确，常规功率测试未超过额定功率。这种保护具有以下几个特征：
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减小，或者去掉输出lc 滤波器的电容，保护现象消失。
解决方法：
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优点：无需修改电路，只需要修改参数值。
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找到其差异点，并针对差异点查阅规格书或应用指南，发现问题。
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图6. class-d和dac正确顺序
调查举例
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芯片进入过压过流过温等保护状态，芯片异常状态下，环境温度30℃，板卡工作温度50℃，且芯片的供电：spkvdd = 5v; iovdd = 3.3v; avdd = dvoo = 1.8v; 电压工作正常。
排查如下：
硬件方向:
确认是否出现输出过流保护，检查输出外部电感和电容。
结果：去除输出lc滤波电路，此现象仍然出现。
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软件方向:
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故此次故障的原因为 ：芯片初始化过程中颠倒了 class-d和 dac开启顺序，从而导致芯片偶发初始化失败。
图7. class-d和dac错误顺序
总结
本文分析了tas2505-q1在应用过程中出现问题的原因，并且从硬件和软件方向提出了故障排查指南，并给出相应的优化措施，有助于工程师在设计出鲁棒性更强的音频系统。同时，有助于工程师在遇见相似问题时能够更高效地排查故障 。另外，给出一个实际用例，供大家参考。
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