D类功放“爆破音”机理与抑制措施浅析

 D类功率放大器以高输出功率，高效率，小体积等优点，在车载音响领域异军突起。在数字D类功放刚上电或功放播放状态切换时，人耳偶尔会听到“嘣”的声音，我们把这个爆破的声音称为pop noise。数字功放pop noise 出现的原因有很多，本文主要分析pop noise出现原因，并提供相应解决方法。

    Pop noise成因有以下5点：

    下面关于5点原因都做一个简单介绍。

1、电容充放电

    上图所示为单端输入功放，A1是比较放大器，用于设置增益，增强输入信号的负载能力。A2输出同A1输出完全反向。Modulator用于信号调制，将输入的模拟信号与三角波比较，生成PWM波驱动外围MOS。比较放大器A1的一端直连参考电压Vref，另一端通过RIN、CIN连接输入音频信号。

    在系统上电时，Vref立刻上升到参考电压值，而A1的另一端则需要通过给RIN、CIN充电，在经一段时间后才能上升到参考电压值。A1两端的电压差经放大后，输出产生pop noise。该场景下可通过降低输入电容值，如换成1uf或0.47uf来实现降低 pop noise。

    对于差分功放而言，如果P端和N端的输出外围硬件电路不匹配或者输入外围硬件电路不匹配，功放两端输入信号建立时间会不一样，该差分信号差也会输入功放并形成pop音。如下图所示，若A1两端电压上升速度一致，pop noise为0。5ns的信号建立时间差即可产生人耳可听到的pop音。

不同充电速度下的POP Noise 

    2、PWM启动和暂停

    在系统掉电或上电，功放播放状态切换，或输入音源切换时，PWM会产生启停，进而产生瞬态的POP音。如下图所示，在连续PWM动作时，开关频率及其附近的镜像频率都可以顺利的被LC滤波器滤除。而在PWM启停时，开关频率及其奇次谐波会延伸到人耳可听的20-2kHz范围内。该开关频率低于LC滤波器的截止频率，不能被滤除进而产生pop音。

    连续PWM及PWM启动的时频域图：

    对于BTL结构的功放在进行AD调制时，PWM开启第一个Duty cycle，如果A-side拉低，Bootstrap 电容可以顺利充电，但B-side在此时拉高，这使得Bootstrap电容充电失败。Bootstrap电容提供N MOSFET的充电电压，如Bootstrap电容充电失败，则B-side 第一个PWM不能正常输出。A-side和B-side的不平衡输出会产生明显的POP音。TI针对该类pop noise进行了优化，在AD和BD调制中，都使得第一个PWM为低，进而消除Clock fault。

    AD调制PWM开启示意图

    3、上下电顺序错误

    音频系统有严格的上下电顺序。通常功放的供电电压会比SOC的供电电压高，也比SOC电压建立时间早。为避免pop noise在SOC上电及功放上电时发生，要保持功放为Hi-zi/standby状态，且待功放充分充电后(20ms)，再开启PWM波，输入音源。同理在功放断电时，为避免掉电速度不一致，我们需要Mute 并将Standby引脚拉低15ms后再进行掉电。TI 的PurePath Digital 具有优化后的启动序列，这使得可听音频带的pop音尽可能小。

    4、PVDD电压/Gain值急速抬升

    PVDD电压急剧上升或Gain值急速抬升均会导致pop noise 出现。在进行原理图绘制时，需要将Cstart软启动电容设置在合理的范围内，防止PVDD急速上升。此外，针对某些功放在开机第一次POP noise出现后，还出现了第二次pop noise。这是因为功放在上电后，增益值会以一定步长爬升到设定增益，如果步长设定值过大，会导致pop noise的出现。

    5、Hizi-play 状态切换Clock Fault

    如果喇叭不仅仅在开机或者状态转换时出现pop 音，而是当功放从Hi-zi切换到play时，连续出现POP noise，此时应当检查是否出现Clock Fault。以TI的芯片TAS6424L/M-Q1系列为例，硬件工程师可以断开SOC的IIC控制，并将IIC通过USB转接板连接到PPC3进行Clock Fault检验。

    若此时出现Clock Fault 应检查输入音频信号I2S/TDM是否满足数据手册的要求（见数据手册Electrical Characteristics 中Serial Audio Port）。此外，数据手册中还有其他特殊情况的说明，以TAS6424L/M-Q1系列为例，如果客户将SCLK和MCLK连接到一起，FSYNC需要为2 MCLK以上。若SOC为高通8155系列，FYSNC输出共有3个选项：第一是2MCLK ，第二是50% duty cycle ，第三为1 slot，我们可以选择后两项作为FSYNC输入。