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作者：安森美半導體資深現場應用及系統工程師Kieran McDonald 汽車購買者對配備更高等級功能和更高品質音響的更先進汽車信息娛樂系統的需求越來越高，他們也開始期望車廂內的噪音等級降低。因此，越來越常見電子工程師在其系統設計中指定麥克風，從而使汽車乘客能在旅行時擁有更佳的用戶體驗。 通常情況下，有兩種車載應用要求麥克風——即語音檢測和主動噪聲消減(ANC)。 1. 語音檢測 – 連接至手機的語音流要求此功能。它通常透過藍牙無線同步傳輸來承載。 2. ANC – 用于路面噪聲消減(RNC)及發動機級噪聲消減(EOC)，用于分別降低路面及發動機/排氣噪聲。此功能的實現憑借的是利用先進的數字信號處理(DSP)算法以及信息娛樂系統的放大器和負載揚聲器輸出，以產生經過放大的反相(anti-phase)噪聲。如今，ANC技術在內燃發動機汽車RNC及EOC方面的應用正大幅增多。 雖然語音傳輸傾向于使用單個(全向或單向型)麥克風，但三維ANC主要依賴于位于車廂內部不同部分的多個誤差麥克風。對于這些應用而言至關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外部，這兩種情況下也要求有效的故障檢測。 關鍵的麥克風供電要求 通常情況下，汽車麥克風消耗的電流相對較低，具體則取決于麥克風阻抗及集成放大級的類型。典型的單向麥克風的電流消耗可能低至0.5 mA，而全向波束成形麥克風則可能消耗20 mA電流。根據所要求的信噪比(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壓器。 麥克風的位置遠離信息娛樂系統也使情況變得更加復雜。位于外部的負載帶來了裝配及維護期間錯誤連接的風險。因此，麥克風電源需要能夠檢測錯誤連接并保護自身。 麥克風電源的原理 集成麥克風穩壓器為分立電路或高邊開關提供了具有吸引力的另一選擇，并提供充足的工作優勢。內置電流鏡使其能夠檢測麥克風，并診斷負載中的故障狀況——這在汽車裝配和維護期間尤為重要，因為在此期間可能存在信息娛樂系統、麥克風或它們之間線纜出現故障或裝配錯誤的風險。因此，存在麥克風穩壓器輸出(VOUT)對地短路、開路，或者機率較低的對電池短路等可能性。 麥克風穩壓器優勢 典型的分立診斷及保護電路可能包含多達20顆分立元件，涉及高裝配成本、復雜的失效模式及效應分析，以及消耗珍貴的微控制器資源來執行指令及控制功能。與之相反的是，集成麥克風穩壓器是單顆IC，僅要求少量外部小信號元件。此外，集成方案細致地控制了技術參數，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。透過麥克風穩壓器控制可編程輸出電流及限流電平和IC啟用(enable)功能，可以達到分立電路設計固有的電路可編程能力方面的靈活性。提供精確及可調節的輸出電壓穩壓，包括明確界定的環路穩定性限制，表示受到完全保護的輸出可以設定為跟麥克風輸入要求相關的目標輸出電壓，配以采用低成本標準等效串聯電阻(ESR)輸出電容的穩定環路。 
圖1：分立麥克風偏置電路示例(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 應用示例 圖2顯示了采用標準應用設置的麥克風穩壓器的示例。圖中使用的器件是安森美半導體新推出的NCV47551，這器件具有可調節輸出電壓，能采用外部電阻分壓器在3.3 V與20 V之間設定輸出電壓。從穩壓器電流感測輸出(CSO)引腳獲得的鏡電流——此電流與負載電流的比例為固定值(通常是1:1)——可以被監測為固定電阻對地的電壓(VCSO)，并且可以使用模數轉換器(ADC)來采樣。電阻值RCSO還設定限流閾值電平。通過監測CSO電壓，電流鏡可以用于區分開路、對地短路及正常工作條件。
圖2：使用安森美半導體NCV47551的麥克風穩壓器應用電路圖 Optional for noise：可選元件，用于降低噪聲 由于麥克風負載電流通常如此之低，電流鏡比例需要設定為不會導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間常數范圍內充電。盡管這ADC本身也是CSO引腳的一個負載，由于CSO引腳結合了限流及電流監測功能，如果檢測電流電平閾值太低的話，此負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，負載阻抗下降至0，或者接近0，導致負載電流上升并觸發外部設定的電流極限，輸出電壓成正比反走。這導致VCSO瞬時上升至其上限。提供的第二重保護功能是使用設定為內部固定值、環路響應比預設電流極限更快的第二個默認電流極限，確保啟動時的限流。還有更進一步的保護，即使用位置跟穩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溫。如果此閾值被超過，那么穩壓器將自我關閉，直到恢復原來狀態。 如果出現負載開路狀況，負載電流將下降至0或極接近于0。相應地，VCSO將下降至接近地電勢，同時ICSO確保不高于足以為大多數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，器件都受到保護。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。 另一項重要考慮因素就是抑制噪聲。高直流增益提供將穩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一步降低輸出噪聲。為達此目的，使用了外部陶瓷旁路電容CNOISE。 NCV47551針對在汽車中使用而設計。它的啟用及輸入引腳能承受高達45 V峰值的ISO 16750-2負載突降脈沖，無需外部極性反向保護。此外，NCV47551還經過專門設計以提供低噪聲電源，確保ADC在檢測麥克風可能的故障狀況方面的兼容性。 結論 新一代的電流感測穩壓器IC提供簡單的集成方案，為汽車音響及信息娛樂系統應用中的大多數類型外部麥克風供電。它們能夠監測負載狀態，因而能夠提供極有效的故障診斷。如果出現重要故障狀況，它們還提供保護。 |
