摘要
TAx5xxx-Q1 系列器件是用于汽车音频应用的多通道、高性能模数转换器和编解码器。本应用手册详细介绍了该系列的集成故障诊断功能，以及如何使用该系列器件进行稳健的系统设计。
商标
PurePathis a TM ofTI corporate name.
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1 引言
汽车系统设计为能够在各种恶劣环境中运行。随着越来越多的电子器件集成到汽车系统中，系统复杂性和发生故障的可能性也随之增加。汽车音频系统通常使用多个麦克风，这些麦克风依赖于波束形成、有源噪声消除或语音识别等算法。这些算法依赖于来自麦克风的可靠数据，如果系统中的一个或多个麦克风发生故障，则处理的数据会不可靠，从而导致错误的计算结果。在这些汽车音频应用中，可将麦克风放置在远离 PCB 的位置，例如放置在轮舱、靠近发动机或在乘客车厢中的不同位置。由于麦克风放置在较远位置，因此需要使用线束与其他电子元件进行连接。虽然在制造过程中已经格外小心地防止出现故障，但随着时间的推移，这些线束会老化，从而导致麦克风连接出现故障。德州仪器 (TI) 推出的全新汽车音频数据转换器系列提供集成的诊断监控功能，可确定何时出现输入故障状况，从而有助于应对这一挑战。利用这些信息，系统可以选择如何响应和调整系统算法来处理错误。
2 诊断监控架构
典型的汽车音频应用倾向于使用驻极体电容式麦克风 (ECM)，以便于安装、连接、拾取方向性、防潮和防尘。这些 ECM 麦克风的工作电压介于 2V 至 10V 之间，并且电压摆幅较大。为了进行准确的故障检测，ADC 需要与麦克风引脚直接连接。对于交流耦合应用，设计需要将输入引脚数增加一倍，如图 2-1 所示。
图 2-1 交流耦合诊断此配置还要求输入使用高压晶体管来直接处理 10VRMS 摆幅。这两个因素共同导致了解决方案的尺寸非常大。由于输入引脚加倍和晶体管的增加，TAx5xxx-Q1 系列使用直流耦合实现故障诊断，信号链前端有一个衰减器，让输入和诊断可以使用单个引脚运行。图 2-2 展示了此设计。
图 2-2 直流耦合诊断交流耦合也具有更高的输入摆幅和更多滤波灵活性等优势。对于需要交流耦合与故障诊断的应用，可以将一个通道用于交流耦合模拟输入并为直流耦合诊断指定另一个通道。图 2-3 所示的示例中，通道 1 具有交流耦合麦克风输入，通道 2 用于麦克风诊断。在此配置中，通道 1 上的故障记录在通道 2 的诊断寄存器中。不需要启用通道 2 的主 ADC，它仅用于诊断。
图 2-3 具有直流诊断功能的交流耦合输入图 2-3 展示了适用于故障监控信号链的 TAx5xxx 诊断监控架构。
图 2-4 诊断监控架构监控所有输入引脚（2 通道器件为 4 个引脚）以及 MICBIAS 引脚电压、MICBIAS 负载电流、VBAT_IN 输入和内部芯片温度。输入引脚首先通过衰减器，衰减器会在信号到达扫描多路复用器 (MUX) 之前将信号缩小 17 倍。多路复用器以连续方式自动扫描已启用诊断的所有输入。扫描速率可在 DIAG_CFG3 寄存器（第 1 页，地址 0x49）中调节。扫描多路复用器选择输入后，收集输入的八个连续样本并求其平均值，从而提高噪声性能。请注意，禁用通道的诊断与禁用通道本身是独立的，并且仍可以在非活动通道上读取诊断。
3 监测到的故障
3.1 麦克风故障
根据系统部署情况，麦克风或与麦克风相关的连接会因为各种原因而出现故障。例如，麦克风本身在长时间暴露于极端环境条件、过度振动或撞击之后性能会下降。随着时间的推移，将麦克风连接至系统中其他电子元件的电缆也会因振动、冲击或极端温度而性能下降。
为了进行可靠的检测，Tax5xxx-Q1 监控输入引脚是否存在以下故障：
- 输入短接至地
- 输入短接至 MICBIAS
- 输入开路
- 输入引脚短接在一起
- 输入过压检测
- 输入短接至 VBAT
TAx5xxx-Q1 系列的输入诊断功能专为麦克风输入而设计，但也可用于直流耦合线路输入。
大多数故障支持用户可编程的检测阈值。可以单独启用、禁用或屏蔽故障。因为许多故障都取决于测量值，为了使诊断监控处于活动状态，必须打开 MICBIAS（即使未主动使用 MCBIAS）。在为 MICBIAS 和 PLL 上电后，建议等待至少 10ms，然后再启用故障诊断监控。每个故障读数均修整为 8 位精度，以便与阈值的可编程性相匹配。检测到故障后，可以将其设置为触发 GPIO 引脚上的中断或强制通道自动断电。后续章节将介绍前面提到的每个故障。
3.1.1 输入短接至地
如果测得的输入引脚电压低于编程阈值，则会触发此故障。此故障设置为在 0V 至 900mV 范围内触发，以 60mV 为增量。
图 3-1 输入短接至 GND 状况3.1.2 输入短接至 MICBIAS
如果在输入引脚上测得的电压与在 MICBIAS 引脚上测得的电压之间的差值大于 0V 且小于编程的阈值，则会触发此故障。此故障设置为在 0V 至 450mV 范围内触发，可设定步长大小为 30mV。此故障使用在 MICBIAS 引脚测得的实际电压，该电压可能与设定的 MICBIAS 值略有不同。
图 3-2 输入短路至 MICBIAS 条件3.1.3 输入开路
当检测到由前两个故障的组合导致的开路状况时，就会触发此故障。此故障会通过两种方式触发：
- INxP 短接至 MICBIAS 且 INxM 短接至 GND
- INxP 短接至 GND 且 INxM 短接至 MICBIAS
此故障依赖于为这两个相应故障设定的阈值。
图 3-3 输入开路条件3.1.4 输入引脚短接在一起
当输入引脚之间差值的绝对值降至低于设定的阈值时，就会触发此故障。此故障设置为在 0V 至 450mV 范围内触发，步长为 30mV。在典型的直流耦合应用中，麦克风的输入引脚之间存在差分直流失调电压。如果直流差分保持在设定的阈值以下，则可能会在应用中无意地触发此故障。
图 3-4 输入短路状况3.1.5 输入过压检测
当测得的输入引脚电压大于测量的 MICBIAS 电压时，会触发此故障。用户不可对此阈值进行编程。
图 3-5 输入过压条件3.1.6 输入短接至 VBAT
当施加到 VBAT 引脚的电压与输入引脚之间差值的绝对值小于设定的阈值时，就会触发此故障。可编程范围为 0V 至 450mV，步长为 30mV。
图 3-6 当 VBAT > MICBIAS 时输入短接至 VBAT 条件在大多数汽车应用中，电池电压应该不会下降至低于 MICBIAS，MICBIAS 的最大可编程值为 10V。只要 VBAT 大于 MICBIAS，则短接至 VBAT 故障也会导致出现过压故障。在极少数情况下，VBAT 会低于 MICBIAS。如果电池负载过大或在 VBAT_IN 之前使用了分压器，则会发生这种情况。在这些情况下，可能会错误地触发该故障，具体取决于 INxx 引脚上的信号电平。为了避免或更大限度地减少误检测，建议使用节 6.3中所述的去抖和均值计算功能。这种特定条件下的去抖可以独立于其他故障进行编程，也可以完全禁用此故障的检测。
图 3-7 当 VBAT < MICBIAS 时输入短接至 VBAT 条件3.2 线性输出故障
强大的线性输出故障诊断对于提供出色的音频质量和系统可靠性至关重要。电磁干扰 (EMI)、电源波动和机械应力等各种因素都会影响连接的完整性。例如，车辆电气系统或附近器件产生的 EMI 会在音频连接中引起噪声。此外，温度变化和振动会导致连接器磨损，从而可能导致连接断续或故障。TAC5(3/4)1x-Q1 CODEC 内的诊断功能监视输出引脚是否存在以下故障。
- 过流
- 虚拟接地
3.2.1 输出过流
当 OUTx 的电流消耗大于 160mA、短接至电源或存在接地短路时，就会触发此故障。
3.2.2 虚拟接地
输出引脚之前是一个在 AVDD 运行的放大器，它会产生一个中点电压作为模拟输入信号的基准点。这个中点电压在图 3-8 中显示为 V_ICM（代表“内部共模”），称为虚拟接地。如果 OUTx 发生短路，将虚拟接地置于意想不到的高电压，则会触发故障。此外，在以下情况下会触发故障：
- 如果模拟输入信号共模高于 100mV，则会打破 RBYP 的限制并将虚拟接地置于意想不到的高电压。这仅适用于器件输出配置为全差分的情况。
- 如果将器件配置为在旁路模式下具有 6dB 或 12dB 增益，且输入信号分别大于 -6dB 和 -12dB。这种情况适用于单端或全差分输出配置。
- 如果模拟输入电平超过相应输入配置的满标量程输入信号范围。
通道 1 (P0_R100-R102) 和通道 2 (P0_R107-R109) 的输出寄存器的正确配置对于防止出现意想不到的虚拟接地故障检测至关重要。如果检测到虚拟接地故障，用户必须检查输出配置寄存器并验证是否符合输入信号和电压。
此外，图 3-8 展示了 DAC 输出级，如果在 OUTx 处测得的电压超过器件的设计限值，则会触发此故障。用户能够在 DAC_FLT_CFG (P0_R67) 中对器件进行编程，从而在检测到故障时关断 DAC 的回放路径。
图 3-8 虚拟接地输出配置3.3 其他故障
3.3.1 MICBIAS 过压
如果 MICBIAS 引脚拉至高于 MICBIAS_CFG 寄存器 (P0_R115) 所设置的电压，则会触发 MICBIAS 过压故障。例如，如果 MICBIAS 短接至 VBAT，则会发生这种情况。触发此故障后，器件会在 INT_LTCH2 (P0_R59_D0) 和 INT_LIVE2 寄存器中设置过压状态标志。可以在 DIAG_CFG11 寄存器 (P1_R81) 中调整过压检测的阈值。
3.3.1.1 DIAG_CFG11 寄存器（页面 = 0x01，地址 = 0x51）[复位 = 0x40]
此寄存器是 MICBIAS 过压配置寄存器。
| 位 | 字段 | 类型(1) | 复位 | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| 7-5 | SAFEBAND_MBIAS_OV_ FLT[2:0] | R/W | 010b | MBIAS 过压故障下限的安全带配置 0 = 无安全带 1 = 30mV 安全带（9b 级别时为 1LSb） 2 = 60mV 安全带（9b 级别时为 2LSb） 3-7 = N × 30mV |
| 4-0 | RESERVED | R | 00000b | 保留位；仅写入复位值 |
3.3.2 MICBIAS 过流
MICBIAS 引脚具有集成的过流保护电路，可保护器件，以免因电流消耗过大而损坏。MICBIAS 引脚可以持续吸收的电流最大为 30mA。尽管触发过流保护故障的确切电流因器件而异，但可能触发故障的最小阈值为 45mA。触发过流保护后，该器件会在 INT_LTCH2（P1_R59_D3 位）寄存器中设置过流状态标志，并限制 MICBIAS 引脚的输出电流。
