TAS5727數字音頻功率放大器：設計與應用全解析

在音頻設備的設計領域，一款性能出色的數字音頻功率放大器至關重要。今天我們就來深入探討德州儀器（TI）的TAS5727 25 - W數字音頻功率放大器，它具備EQ和DRC功能，為音頻設計帶來了諸多便利和優質的音頻體驗。

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一、TAS5727的關鍵特性

（一）音頻輸入輸出特性

TAS5727具有強大的音頻輸入輸出能力。它能在20 - V電源下向8 - Ω負載提供25 W的功率，并且支持8 V至26 V的寬PVDD范圍。在負載配置方面，支持BTL配置與4 - Ω負載，高效的Class - D操作甚至無需散熱片。它擁有一個串行音頻輸入（兩個音頻通道），還有I2C地址選擇引腳（芯片選擇），并且單輸出濾波器PBTL支持44.1 - kHz至48 - kHz的采樣率（LJ/RJ/I2S）。

（二）音頻和PWM處理特性

在音頻和PWM處理上，TAS5727表現也十分出色。它具備獨立通道音量控制，增益范圍從24 dB到靜音，分辨率為0.125 dB。還有可編程的兩頻段動態范圍控制（DRC），以及18個可編程雙二階濾波器用于揚聲器EQ和其他音頻處理功能，同時DRC濾波器的系數也是可編程的，并且帶有直流阻塞濾波器。

（三）一般特性

TAS5727采用I2C串行控制接口，無需MCLK即可運行，僅需3.3 V和PVDD電源。它沒有外部振蕩器，內部振蕩器可自動檢測速率。采用48引腳的HTQFP表面貼裝封裝，具備熱保護和短路保護功能，A加權信噪比可達106 dB，支持AD、BD和三元調制，效率高達90%，還有PWM電平表來測量數字功率曲線。

二、應用場景

TAS5727適用于多種音頻設備，如LCD TV、LED TV和Soundbar等。在這些設備中，它能夠提供優質的音頻功率放大，滿足用戶對音頻質量的需求。

三、詳細功能剖析

（一）電源供應

TAS5727的電源供應設計十分貼心，除了典型的18 - V功率級電源外，僅需一個3.3 - V電源。內部電壓調節器為柵極驅動電路提供合適的電壓水平，內置的自舉電路只需幾個外部電容器就能滿足需要浮動電壓供應的電路需求。每個半橋都有獨立的自舉引腳（BST_x）和功率級電源引腳（PVDD_x），在設計時要注意將所有去耦電容器盡可能靠近相關引腳放置，避免電源引腳和去耦電容器之間產生電感。對于自舉電路，要使用33 - nF、X7R陶瓷電容器，以確保在最小PWM占空比時也有足夠的能量存儲。同時，每個PVDD_x引腳都要用100 - nF、X7R陶瓷電容器進行去耦。

（二）I2C地址選擇和故障輸出

1. I2C芯片選擇：A_SEL_FAULT引腳在上電時作為輸入引腳，通過15 - kΩ上拉或下拉來設置I2C子地址，高電平為0x56，低電平為0x54。
2. I2C設備地址更改過程：先向設備地址更改使能寄存器0xF8寫入0xF9A5 A5A5，再向設備寄存器0xF9寫入新地址，之后的寫入操作就使用新地址。
3. 故障指示：該引腳在RESET后可通過向I2C寄存器0x05的第0位寫入1來編程為輸出引腳，低電平表示過流（OC）、欠壓（UVP）、過溫（OTE）或過壓錯誤，高電平表示無故障。

（三）設備保護系統

1. 過流（OC）保護與限流：設備在所有高端和低端功率級FET上都有獨立、快速反應的電流檢測器。有兩個保護系統對其進行監控，第一個系統進行逐周期限流，防止輸出電流進一步增加；如果高電流情況持續，第二個系統會觸發鎖存關機，將功率級設置為高阻抗狀態，故障排除后設備恢復正常。需要注意的是，半橋的限流和過流保護不是獨立的。
2. 過溫保護：當設備結溫超過150°C（標稱）時，設備進入熱關機狀態，所有半橋輸出設置為高阻抗狀態，A_SEL_FAULT引腳置低，溫度下降約30°C后自動恢復。
3. 欠壓保護（UVP）和上電復位（POR）：UVP和POR電路能在任何上電、掉電和欠壓情況下完全保護設備。上電時，POR電路復位過載電路，確保所有電路在PVDD和AVDD分別達到7.6 V和2.7 V時完全正常工作。任何一個電源電壓下降到UVP閾值以下，所有半橋輸出都會立即設置為高阻抗狀態，A_SEL_FAULT引腳置低。

（四）時鐘、自動檢測和PLL

TAS5727是一個I2S從設備，接受MCLK、SCLK和LRCLK。數字音頻處理器（DAP）支持時鐘控制寄存器（0x00）中定義的所有采樣率和MCLK速率。它會檢查SCLK是否為32 fS、48 fS或64 fS，DRC僅支持1 × fS的LRCLK。時鐘部分使用MCLK或內部振蕩器時鐘（當MCLK不穩定、超出范圍或缺失時）來產生內部時鐘（DCLK），其頻率為PWM開關頻率的512倍。DRC能夠自動檢測并將內部時鐘控制邏輯設置為合適的設置，并且具有強大的時鐘錯誤處理能力，檢測到時鐘變化或錯誤時會靜音音頻，強制PLL使用內部振蕩器作為參考時鐘，時鐘穩定后自動檢測新速率并恢復正常操作。

（五）PWM部分

TAS5727的DAP設備使用噪聲整形和定制的非線性校正算法來實現高功率效率和高性能數字音頻再現。DAP使用四階噪聲整形器來增加音頻頻段的動態范圍和信噪比。PWM部分接受來自DAP的24位PCM數據，并輸出兩個BTL PWM音頻輸出通道。它有獨立通道的直流阻塞濾波器和去加重濾波器，并且PWM部分的最大調制限制可在93.8%至99.2%之間調節。

（六）SSTIMER功能

SSTIMER引腳通過連接到地的電容器來控制退出全通道關機時的輸出占空比。電容器通過內部電流源緩慢充電，充電時間決定了輸出從接近零占空比過渡到所需占空比的速率，從而實現平滑過渡，減少可聽的砰砰聲和咔嗒聲。關機過渡時間與SSTIMER引腳電容無關，較大的電容會增加啟動時間，小于2.2 nF的電容會減少啟動時間。在BD調制時，該引腳應懸空。

（七）單濾波器PBTL模式

TAS5727支持并行BTL（PBTL）模式，將OUT_A/OUT_B（和OUT_C/OUT_D）在LC濾波器之前連接。將PBTL引腳（引腳8）置高可使設備進入PBTL配置，同步半橋A和B（以及C/D）的關斷。PBTL引腳有下拉電阻，若引腳懸空則設備配置為BTL模式。要將設備設置為PBTL模式，需更新PWM輸出多路復用器，向輸出Mux寄存器（0x25）寫入0x0110 3245，向PWM關機寄存器（0x19）寫入0x3A。

（八）I2C串行控制接口

TAS5727的DAP具有雙向I2C接口，兼容Inter IC（I2C）總線協議，支持100 - kHz和400 - kHz的數據傳輸速率，用于單字節和多字節的讀寫操作。它是一個僅從設備，不支持多主總線環境或插入等待狀態。控制接口用于對設備的寄存器進行編程和讀取設備狀態。

1. 一般I2C操作：I2C總線使用SDA（數據）和SCL（時鐘）兩個信號進行通信，數據逐位串行傳輸，每個字節傳輸后會有接收設備的確認位。傳輸操作以主設備驅動起始條件開始，以停止條件結束。
2. 單字節和多字節傳輸：串行控制接口支持子地址0x00至0x1F的單字節和多字節讀寫操作，對于子地址0x20至0xFF，僅支持多字節讀寫操作（以4字節為倍數）。在多字節讀寫操作中，要確保傳輸的數據完整。
3. 單字節和多字節讀寫示例：單字節寫操作包括主設備發送起始條件、I2C設備地址和讀寫位、地址字節、數據字節，最后發送停止條件；多字節寫操作類似，只是發送多個數據字節。單字節讀操作先進行寫操作傳輸要讀取的內部存儲器地址，再進行讀操作；多字節讀操作則是TAS5727向主設備發送多個數據字節。

（九）音頻串行接口

串行數據通過SDIN輸入，PWM輸出由此衍生。TAS5727的DAP接受16位、20位或24位左對齊、右對齊和I2S串行數據格式。不同的串行數據格式有不同的時序要求，如I2S時序使用LRCLK定義左右聲道數據，位時鐘用于時鐘數據，數據在上升沿有效；左對齊和右對齊時序也有各自的特點。

（十）動態范圍控制（DRC）

DRC方案有兩個DRC塊，一個用于高頻段左右聲道，一個用于低頻段左右聲道。它能自動調整音量以平衡音量水平，每個DRC有可調的閾值水平、可編程的攻擊和衰減時間常數，實現透明壓縮。

（十一）PWM電平表

PWM電平表可用于研究功率曲線，通過對特定地址的讀取可以獲取相關信息。

四、設備功能模式

（一）立體聲BTL模式

這是經典的立體聲操作模式，TAS5727用于放大兩個獨立的信號，代表立體聲信號的左右部分。放大后的左右音頻信號通過差分輸出對OUT_A和OUT_B以及OUT_C和OUT_D輸出。音頻數據的路由可根據PWM輸出Mux寄存器（0x25）進行更改。

（二）單聲道PBTL模式

在這種模式下，設備的兩個立體聲輸出并聯，以增加設備的功率輸出能力。TAS5727支持單濾波器PBTL模式，將OUT_A/OUT_B（和OUT_C/OUT_D）在LC濾波器之前連接。

五、編程要點

（一）26位3.23數字格式

所有混音器增益系數采用26位的3.23數字格式，即二進制小數點左邊有3位，右邊有23位。根據最高位判斷正負，正數直接根據權重計算，負數需要取反加1后再計算。增益系數通過I2C總線輸入時，必須以32位二進制數的形式輸入。

（二）寄存器映射

TAS5727有多個寄存器，如時鐘控制寄存器（0x00）、設備ID寄存器（0x01）、錯誤狀態寄存器（0x02）等，每個寄存器有不同的功能和初始值。例如，時鐘控制寄存器反映自動檢測的時鐘狀態，錯誤狀態寄存器記錄各種錯誤信息，軟件需要清除該寄存器并讀取以確定是否存在持續錯誤。

六、應用與實現

（一）立體聲橋接負載應用

在立體聲應用中，要注意設計要求，包括低電源3.3 V、高電源8 V至26 V、I2S和I2C兼容主設備、主機處理器、GPIO控制、輸出濾波器為電感 - 電容低通濾波器、揚聲器最小4 - Ω等。在詳細設計過程中，要注意組件選擇和硬件連接、I2C上拉電阻、數字I/O連接以及推薦的啟動和關機程序。

（二）單聲道并聯橋接負載應用

單聲道應用的設計要求與立體聲應用類似，只是揚聲器最小為2 - Ω。詳細設計過程可參考立體聲應用的相關內容。

七、電源供應建議

TAS5727需要兩個電源，3.3 V的DVDD、AVDD和DRVDD用于為數字和模擬電路供電，8 V至24 V的PVDD用于功率輸出。電源無需特定的上電順序，但建議在移除低電壓電源前將PDN引腳置低以保護輸出。AVDD和DVDD需要良好調節和濾波的3.3 - V電源，PVDD需要適當的電源去耦，可使用1 μF的陶瓷電容器和10 μF或更大的電容器進行濾波。

八、布局指南

在PCB布局時，由于Class - D的開關邊緣快、開關電流大，需要特別注意。TAS5727使用PCB進行散熱，PowerPAD要焊接到PCB上，并使用足夠的銅面積和銅過孔連接各層。去耦電容器要靠近電源引腳放置，輸出電流回路要盡可能小，接地建議使用大的公共GND平面，輸出濾波器要靠近輸出端，并且要選擇能承受高短路電流的電感器。

綜上所述，TAS5727數字音頻功率放大器憑借其豐富的功能和出色的性能，為音頻設備設計提供了強大的支持。在實際設計中，我們需要根據其特性和要求，合理選擇組件、進行布局和編程，以實現優質的音頻效果。你在使用TAS5727的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。