汽车麦克风偏置及故障检测

汽车购买者对配备更高等级功能和更高品质音响的更先进汽车信息娱乐系统的需求越来越高,他们也开始期望车厢内的噪音等级降低。因此,越来越常见电子工程师在其系统设计中指定麦克风,从而使汽车乘客能在旅行时拥有更佳的用户体验。

通常情况下,有两种车载应用要求麦克风——即语音检测和主动噪声消减(ANC)。

1. 语音检测 – 连接至手机的语音流要求此功能。它通常透过蓝牙无线同步传输来承载。

2. ANC – 用于路面噪声消减(RNC)及发动机级噪声消减(EOC),用于分别降低路面及发动机/排气噪声。此功能的实现凭借的是利用先进的数字信号处理(DSP)算法以及信息娱乐系统的放大器和负载扬声器输出,以产生经过放大的反相(anti-phase)噪声。如今,ANC技术在内燃发动机汽车RNC及EOC方面的应用正大幅增多。

虽然语音传输倾向于使用单个(全向或单向型)麦克风,但三维ANC主要依赖于位于车厢内部不同部分的多个误差麦克风。对于这些应用而言至关重要的是极低的噪声偏置。此外,由于它们位于信息娱乐系统外部,这两种情况下也要求有效的故障检测。

关键的麦克风供电要求

通常情况下,汽车麦克风消耗的电流相对较低,具体则取决于麦克风阻抗及集成放大级的类型。典型的单向麦克风的电流消耗可能低至0.5 mA,而全向波束成形麦克风则可能消耗20 mA电流。根据所要求的信噪比(SNR)及集成放大器类型的不同,供电电压可能会在1.0 V至15.0 V之间变化,但大部分供电电压电平介于5.0 V至8.0 V范围。偏置麦克风输入线路要求指定的电源具有低噪声及低电源抑制比(PSRR),特别是处在人耳可听范围。这样的要求就需要低噪声线性稳压器。

麦克风的位置远离信息娱乐系统也使情况变得更加复杂。位于外部的负载带来了装配及维护期间错误连接的风险。因此,麦克风电源需要能够检测错误连接并保护自身。

麦克风电源的原理

集成麦克风稳压器为分立电路或高边开关提供了具有吸引力的另一选择,并提供充足的工作优势。内置电流镜使其能够检测麦克风,并诊断负载中的故障状况——这在汽车装配和维护期间尤为重要,因为在此期间可能存在信息娱乐系统、麦克风或它们之间线缆出现故障或装配错误的风险。因此,存在麦克风稳压器输出 (VOUT)对地短路、开路,或者机率较低的对电池短路等可能性。

麦克风稳压器优势

典型的分立诊断及保护电路可能包含多达20颗分立元件,涉及高装配成本、复杂的失效模式及效应分析,以及消耗珍贵的微控制器资源来执行指令及控制功能。与之相反的是,集成麦克风稳压器是单颗IC,仅要求少量外部小信号元件。此外,集成方案细致地控制了技术参数,如限流精度及电流镜,使制定故障策略、故障检测阈值及最坏分析变得更加简单直接。透过麦克风稳压器控制可编程输出电流及限流电平和IC启用(enable)功能,可以达到分立电路设计固有的电路可编程能力方面的灵活性。提供精确及可调节的输出电压稳压,包括明确界定的环路稳定性限制,表示受到完全保护的输出可以设定为跟麦克风输入要求相关的目标输出电压,配以采用低成本标准等效串联电阻(ESR)输出电容的稳定环路。

汽车麦克风偏置及故障检测

图1:分立麦克风偏置电路示例(不含检测或故障诊断功能)

AC Amplifier:交流放大器

Power Supply & Sense:电源及感测 应用示例

图2显示了采用标准应用设置的麦克风稳压器的示例。图中使用的器件是安森美半导体新推出的NCV47551,这器件具有可调节输出电压,能采用外部电阻分压器在3.3 V与20 V之间设定输出电压。从稳压器电流感测输出(CSO)引脚获得的镜电流——此电流与负载电流的比例为固定值(通常是1:1)——可以被监测为固定电阻对地的电压(VCSO),并且可以使用模数转换器(ADC)来采样。电阻值RCSO还设定限流阈值电平。通过监测CSO电压,电流镜可以用于区分开路、对地短路及正常工作条件。

汽车麦克风偏置及故障检测

图2:使用安森美半导体NCV47551的麦克风稳压器应用电路图

Optional for noise:可选元件,用于降低噪声

由于麦克风负载电流通常如此之低,电流镜比例需要设定为不会导致开路检测问题的值。在开路事件中,CSO电流将降至其最低值。但它需要保持足够高,以确保 ADC输入电容在其采样和维持时间常数范围内充电。尽管这ADC本身也是CSO引脚的一个负载,由于CSO引脚结合了限流及电流监测功能,如果检测电流电平阈值太低的话,此负载可能会影响限流值。因此,在镜电流比例为1:1的情况下,就可以省去外部缓冲器了。

通过监测 VCSO值,可以使用ADC来检测各种故障条件。在VOUT对地短路状况中,负载阻抗下降至0,或者接近0,导致负载电流上升并触发外部设定的电流极限,输出电压成正比反走。这导致VCSO瞬时上升至其上限。提供的第二重保护功能是使用设定为内部固定值、环路响应比预设电流极限更快的第二个默认电流极限,确保启动时的限流。还有更进一步的保护,即使用位置跟稳压器线性旁路元件相邻的热感测器件(TSD)检测的限热阈值,以确保不超过最大结温。如果此阈值被超过,那么稳压器将自我关闭,直到恢复原来状态。

如果出现负载开路状况,负载电流将下降至0或极接近于0。相应地,VCSO将下降至接近地电势,同时ICSO确保不高于足以为大多数ADC的输入电容充电的电平,从而符合采样及维持要求。虽然使用VCSO输入不可能直接识别出对电池短路状况,但在VOUT对电池短路状况下,无论是在供电或不供电状态,器件都受到保护。如果有需要的话,可以增加外部电路来检测对电池短路状况。

另一项重要考虑因素就是抑制噪声。高直流增益提供将稳压器输出噪声降至最低的电源抑制比(PSRR),还具备旁路用途,提供第二条高频低阻抗通道,以分流高频电流及进一步降低输出噪声。为达此目的,使用了外部陶瓷旁路电容CNOISE。

NCV47551针对在汽车中使用而设计。它的启用及输入引脚能承受高达45 V峰值的ISO 16750-2负载突降脉冲,无需外部极性反向保护。此外,NCV47551还经过专门设计以提供低噪声电源,确保ADC在检测麦克风可能的故障状况方面的兼容性。

结论

新一代的电流感测稳压器IC提供简单的集成方案,为汽车音响及信息娱乐系统应用中的大多数类型外部麦克风供电。它们能够监测负载状态,因而能够提供极有效的故障诊断。如果出现重要故障状况,它们还提供保护。

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发布日期:2019年03月10日  所属分类:汽车电子