Комбинированный модуль усилителя мощности для портативной акустической системы

Содержание:

1. Введение
2. Технические характеристики
3. Схемы и печатная плата
   1. Bluetooth
   2. DSP, Flasher
   3. Power Amp
   4. Power Boost (+tracking)
   5. Charger
4. Тесты

1. ​Введение

 В связи с заметной популярностью сборки портативных акустических систем, данная статья является одной из примеров, показывающая основные направления для грамотного построения такого типа устройств. Часть схем, блоков, с авторской доработкой были заимствованы из других распространенных акустических систем, являющиеся на данный момент лучшими в своем ряде. (такие как JBL, BOSE и т.д.) Также можно извлечь для себя какие-то части схемы для отдельного использования в других устройствах. Горе-модульщикам, «инженерам», строящим бездумно свои «системы» из «фонящих» и несовместимых китай-модулей, и считающих что это правильно,  данную статью можно не читать, к новичкам данное суждение никак не относится*.

2. Технические характеристики

AUDIO:

• Выходная мощность: 35W x 2CH 4Ω @THD+N 1% / 18W x 4CH 4Ω @THD+N 1% 
• Программируемые audio конфигурации: 2.1CH, 2.0CH, 4CH

POWER:

• Необходимый источник питания – 2S Li-ion pack @>10A
• Ток заряда аккумулятора – <2А
• Ток разряда в режиме «power-bank» - <2А
• Потребляемая мощность в «холостом» режиме работы без звука (Idle current) ~ 0,5W
• Потребляемый ток в выключенном состоянии (sleep current) – <10µA

FEATURES:

• Графически* программируемый модуль Bluetooth 5.0 QCC3008 (TWS, aptX, USB 2.0 etc.)
• Графически программируемый Audio DSP ADAU1701 + встроенный программатор
• Индикация уровня заряда аккумулятора (4 state) и встроенный режим «power-bank»
• Встроенная система балансировки заряда аккумулятора
• Мощный синхронный преобразователь напряжения с эффективностью >95%.
• Возможность подключения дополнительной платы усилителя мощности

3. Схемы и печатная плата

Блок схема

*Блок схема не отражает в точности все соединения и логику управляющих сигналов

Электрическая принципиальная схема

Печатная плата

Сторона Ф1

Сторона Ф2

 Из особенностей разводки печатной платы можно отметить: Компактность (120*100мм), Разделение силовых земель от аналоговых и цифровых; Аналоговые земли соединяются с другими "звездой"  под модулем DSP. За счет этого удалось добиться сильного снижения шума в аудио сигнале.

 *Входные разделительные емкости для разьема AUX на плате модуля отсутствуют, их предполагается разместить на дополнительной плате управления.

 *Вывод VBUS QCC на плате прямо не подключен к 5V для прошивки, подключайте на свое усмотрение (можно сделать временный джампер).

 *Точку WP необходимо подключить к указанной точке на плате.

3.1 Bluetooth

 В данном примере в качестве Bluetooth-приёмника был выбран модуль на базе чипа QCC3008 от Qualcomm, не являющийся полной заменой для CSR8675 (не имеет aptX HD), но имеющий лучшие характеристики в своей линейке чипов QCC300x.

 Одними из преимуществ чипа можно выделить: Bluetooth 5.0, поддержка aptX, Ultra-low power система с низким энергопотреблением, TWS. Также одной из причин такого выбора была доступность к покупке данного модуля на популярной интернет площадке. Но в качестве достойной замены можно рассмотреть более старый модуль CSRA64215, не сильно уступающий по своим параметрам, такой вариант имеет место быть, если устройство-передатчик не соответствует последней версии BT или не поддерживает aptX.

 На плате проекта модуль QCC3008 выполняет следующие побочные функции: Детектирование и прием сигнала с AUX; MUTE усилителя мощности во время простаивания; Запуск и отключение остальных модулей; Мониторинг напряжения аккумулятора и последующее формирвание событий (если настроено), Управление индикаторными светодиодами, Обработка сигнала с кнопки включения. При желании в своем проекте можно также реализовать передачу аудио по I2S интерфейсу, настройку внешнего DSP по заранее записанным в BT модуль I2C командам.

  В нашем случае для работы системы необходима обязательная прошивка модуля, без этой операции устройство просто не запустится, т.к. необходима пользовательская настройка gpio для определенных событий, смена типа аудио-выхода. Для прошивки из технических средств необходимо иметь только оригинальный чип FTDI FT232RL (программатор), или оригинальный программатор для модулей CSR. Далее сам процесс прошивки, он не сложный. Все методы прошивки придуманы не мной, я лишь еще раз опишу кратко этот процесс и приведу оригинальные ссылки на все темы и статьи.

Прошивка

  Руководствуясь для всех известным (1) гайдом по прошивке модулей CSR (https://4pda.to/forum/index.php?showtopic=939642), подключаем модуль к программатору в соответсвии с распиновкой (если модуль запаян на плату, подключаемся к площадкам на обратной стороне платы, не забываем землю!), логические уровни программатора должны соответствовать 1.8V, в случае FT232RL для выбора логического уровня необходимо подать нужное напряжение на вывод VCCIO. Включаем BT модуль принудительно подключая вывод PWR к напряжению <3V. Для модуля QCC3008 необходимо установить набор программ ADK QCC300x Configuration Tool 1.0.167. Как и для модулей CSR, для подключения по SPI требуется подменить файл usbspi.dll в корне папки программы (копировать с заменой), для FT232RL по вышеуказанному гайду заменяем драйвер через программу Zadig. На этом первичная настройка закончена, можно подключиться к модулю через программу PSTool, проверить работоспособность подключения, сохранить стоковый psr dump файл настроек, сменить имя для модуля. (Стоковый файл настроек dump.psr приложен к файлам статьи). Но для настройки остальных параметров в программе Config.Tool этого недостаточно, при подключении программа не будет "видеть" текущее SPI подключение, если подключить линию данных USB от модуля к ПК, программа "увидит" подключение, но при попытке соединиться возникнет ошибка. Решение данной проблемы описал хороший человек из (2) гайда (https://github.com/lorf/csr-spi-ftdi/issues/59). Изначально модуль настроен только на подключение по SPI, нам же в свою очередь нужно перепрошить его на USB соединение. Устанавливаем усточивое соединение по SPI с модулем. В соответствии с гайдом (2) копируем все файлы с начальным именем usb* в папку программы Config.Tool, запускаем системную консоль от имени адм., прописываем путь к папке bin программы Config.Tool, по этому же пути выполняем команду nvscmd.exe dump original.ptn  -  сохранение оригинального дампа чипа, выполняем команду nvscmd.exe burn usb.ptn all  -  прошивка файлов для usb подключения (в случае если возникает ошибка чтения файла usb.ptn, стоит попробовать переместить cmd в папку bin и запускать команды оттуда). Если процесс прошел успешно, можно подлючить модуль по линии USB к ПК, предварительно соединив вывод VBUS с напряжением 5V USB. Внимание! - на плате проекта не предусмотрено подключение пина VBUS, перед изготовлением ПП необходмо учесть данный момент или доработать разводку под ваши требования. Также хочу заметить, что при подключении USB к модулю для прошивки, во время воиспроизведения звука могут возникнуть сбои в BT подключении или перезагрузке модуля. Запускаем программу Configuration Tool, выбираем доступное подключение, на данный момент ошибок подключения быть не должно, последовательно выполняем: Go Configurable - Read Device,  программа должна считать все параметры и далее можно приступить к настройке. Если вы намерены собрать плату по данному проекту, то необходимо настроить следующие параметры в меню Output PIOs: Power On -  PIO9, Audio Active - PIO0, PIO9 для поднятия флага включения устройства, PIO0 для включения/выключения усилителя по время отсутствия аудио воспроизведения. Приоритет источника сигнала в Меню Input - первый и второй приоритет A2DP, для изначального приема сигнала по BT, Default Source at Power On - A2DP соответственно. Все остальные параметры можно настраивать по своему желанию, Количество настроек довольно большое, как пример, можно настроить модуль на выполнение различных действий при определенных событиях, настроить пользовательские звуки или выбрать из стандартных, настроить работу кнопок, светодиодов индикации и т.д., но делать это нужно довольно аккуратно. В архиве к проекту находится файл настроек с "рабочими" настройками, для восстановления или обычного использования можно также использовать его.

 При желании можно попробовать написать свою прошивку для модуля при помощи среды xIDE QCC300x-BlueLab-7.1, в папке программы Colfig.Tool присутствуют примеры проектов, необходимые библиотеки и т.д.
 Внимание! Не стоит использовать одни и те же PIO для различных функций (прим: использование PIO одновременно для кнопки питания и мигания светодиода). "Смешивание" событий, неправильная настройка кнопок, включение не поддерживаемых кодеков, приоритетов источников сигнала. Данные действия могут привести к "окирпичиванию" модуля, но не полностью, вернуть прежнее состояние почти всегда можно.

 Внимание! Если вы все таки "окирпичили" модуль, на этапе настройки из PSTool или в Config.Tool, программа видит устройство но выдает ошибку подключения, на моем опыте помогали следующие действия: Подключаем модуль к программатору SPI, открываем программу PSTool, вне зависимости от того как была настроена кнопка включения, нажимаем Reconnect, если вылетает в ошибку, пробуем нажимать кнопку включения сразу после нажатия кнопки Reconnect, кнопку включения можно зажать/нажимать быстро, перед нажатием Reconnect или после, если с какой то попытки всё получилось, итогом всех этих действий должна быть прогрузка настроек в PSTool, пробуем нажать еще раз Reconnect и если PSTool без проблем прогружает настройки заново, во первых сбрасываем настройки через Factory Restore All, Reconnect, а затем прошиваем стоковый файл psr в том же PSTool (Merge → stock.psr). После этого для работы с USB придется заново повторить 2 этап прошивки через nvscmd.

 Процесс прошивки в картинках частично для FT232RL:
Замена драйвера в Zadig, итогом должно быть определение модуля с другим драйвером.

Копируем usb.ptn и файлы xuv в папку bin программы (есть подозрение что эти файлы идентичны тем же из папки sink, можно попробовать их) , usbspi.dll также с заменой.


Подключение PSTool, название порта вероятно должно у всех выглядеть именно так:

Если возникает ошибка, стоит проверить не выключен ли модуль.

Окно после подключения. Немного настроек можно поменять уже здесь.

Сброс настроек если вы восстанавливаете модуль:

Сохранение оригинального .ptn файла.

Прошивка usb.ptn.

Вид программы ADK Configuration Tool при успешной перепрошивке модуля.

3.2 DSP, Flasher

Как уже было замечено, в качестве DSP используется графически программируемый, "народный" чип  ADAU1701 от Analog Devices.  С одной стороны данный DSP может показаться устаревшим (2007.г), с другой стороны во время кризиса полупроводников для него просто нету альтернатив, цена старшей, более современной версии - ADAU1452, превышает в 2-3 раза стоимость первого. К тому же, в рамках данного проекта нету необходимости в более продвинутом чипе, но в качестве перспективы однозначно стоит рассматривать ADAU1452 (и выше) для своих проектов. 

В нашем примере входной сигнал для DSP - аналоговый выход предусилителя TPA6132, который в свою очередь принимает дифференциальный сигнал от модуля BT. Данное подключение, несомненно является большим минусом, поскольку происходит двойное преобразование аудио сигнала из цифровой формы в аналоговую и наоборот. Это происходит из-за невозможности подключить цифровой I2S выход BT модуля к DSP, поскольку последний требует наличия сигнала MCLK для корректной работы, а он у BT модуля отсутствует. (Существуют преобразователи для синхронизации и генерирования сигнала MCLK из сигнала BCLK, но установка такого модуля привела бы к повышению стоимости устройства и усложнило бы конструкцию. Применение DSP ADAU1452 нивелировало бы данный недостаток. Тем не менее, стоит отметить, существенного падения "качества звучания" замечено не было. Выходной сигнал DSP проходит через пассивный фильтр и далее идет напрямую к усилителю. На плате проекта доступно подключение 4х GPIO выводов, которые можно использовать для различных функций (прим.: подключение 2 энкодеров). 

ADAU1701 работает в режиме SELFBOOT, и использует прошивку записанную на внешнюю память EEPROM, тип EEPROM рекомендуется выбирать исключительно - 24C64 (на плате проекта только корпус SOT23-5), тип 24С08 в ходе экспериментов подключить так и не удалось. В нашем случае прошивку из Sigma Studio нужно экспортировать в формат .hex, далее через программу* требуется конвертировать ее в формат Intel .hex. В нашем проекте используется USB микросхема программатора CH341, для экономии энергии питание на нее подается только при наличии напряжения 5V на разьеме USB (т.е только при зарядке).В изначальной версии платы предполагалось использовать сигнал #ACT микросхемы CH341, который бы переводил вывод WP микросхемы EEPROM в низкий уровень, тем самым разрешал бы запись прошивки. Как написано в официальном datasheet, вывод должен "падать" в низкий уровень при успешной инициализации на ПК, это было бы большим плюсом, т.к в процессе обычной зарядки микросхема бы не смогла инициализироваться, т.к не подключена к ПК, и это в конечном итоге не привело бы к изменению состояния вывода WP, и даже при зарядке DSP мог бы без проблем считать и записать данные из EEPROM. Не понятно по каким причинам, фактически данный вывод частично является и входом, и для прошивки EEPROM без принудительной подтяжки этого вывода к "земле" ПК просто не определяет микросхему программатора. В следствие этого в последний момент были внесены изменения в разводку ПП (что сказалось на добавлении 1 перемычки в области программатора).

Для прошивки EEPROM используется официальная программа CH341, необходимо загрузить подготовленный файл .hex формата Intel, выбрать тип памяти 24C64 и произвести операцию Erase/Write.

3.3 Power AMP

Немного слов об оконечном усилителе. В качестве силового усилителя используются микросхемы семейства TPA31xx от TI, а именно TPA3118D2. Это довольно распространенные чипы, работающие в режиме D, что для портативных устройств особенно важно. По качеству звучания и прочим параметрам класс уже сравнялся с AB а зачастую даже сильно перегоняет, об эффективности работы думаю говорить не стоит.. Данная линейка чипов применяется "везде где только можно", в профессиональной и бюджетной акустике, что не удивительно. Они хорошо зарекомендовали себя, отличаются повышенной надежностью, относительной простотой, недорогим комплектом сборки а также гибкой настройкой. Набор всевозможных защит, невосприимчивость к коротким замыканиям выхода, относильно высокая выходная мощность при скромных размерах - все это в TPA31xx. Верхом развития линейки наверное можно отметить чип TPA3156D2, целых 140 Ватт мощности при тех же размерах TPA3118! На плате проекта для охлаждения чипов предусмотрена установка радиаторов размером 25*10мм. Микросхемы настроены на синхронизированную работу с GAIN = 26dB, "верхний чип" является master, "нижний" slave. Если вы хотите перенастроить работу усилителя в режим PBTL (2.0CH), достаточно переставить часть обвязки в другое положение и установить перемычку на выводах GND&LINP.

3.4 Power Boost (+tracking)

Для достижения максимальной выходной мощности усилителя, напряжения питания Li-ion аккумулятора недостаточно, поэтому случайно замеченный в JBL Boombox, Step-Up преобразователь на основе ШИМ контроллера TPS43061 от TI, перекочевал и в наш проект. TPS43061 - Высокоэффективный синхронный шим-контроллер для повышающего преобразователя. Преобразователь на его основе способен обеспечивать более 70W постоянной мощности при выходном напряжении не менее 17V, с КПД более 95%!, что полностью покрывает потребности для 2х усилителей TPA3118D2. Если вы собираетесь построить проект, с мощностью чуть менее чем данный преобразователь, рекомендую к использованию Step-Up ШИМ контроллер LM3488/3478/3481, данный контроллер также является высокоэффективным, способен обеспечивать достаточную выходную мощность и имеет недорогую сборку. Для этого и других ШИМ контроллеров, существует бесплатный WEBENCH калькулятор от TI, позволяющий полностью расчитать обвязку преобразователя под конкретные требуемые параметры, подобрать компоненты, расчитать рассеиваемую мощность, расчитать динамические параметры, показать симуляцию и т.д.

Для повышения эффективности работы портативных аудио-систем, TI предлагает решение, описанное в документе TIDA-05024. Суть заключается в том, что при изменении уровня аудио сигнала пропорционально изменяется напряжения питания усилителя. Чем выше напряжение питания усилителя, тем больше его рассеиваемая мощность в рабочем режиме, поэтому для низкой выходной мощности, повышенное напряжение питания - лишние потери энергии. По описанию TI, данное решение может повысить общую эффективность работы более чем на 15% по сравнению с фиксированным напряжением питания. Рекомендую применение данной системы и в своих проектах. В нашем случае это также используется.

3.5 Charger

Следует запомнить, что почти у каждого типа аккумулятора есть свой профиль зарядки, и для продления срока службы, сохранения максимальной емкости, рекомендуется не просто заряжать аккумулятор меньшим током заряда (как правило 0.1-0.3C), но и заряжать его по определенному профилю. Данную задачу выполняет специальное устройство - Чарджер (Charger), и для хорошей системы он крайне необходим, если возможности приобретения такого нету, можно ограничиться зарядом с пониженным током. В нашем проекте применяется целый "комбайн", MP2639A  от MPS - 2S Li-ion Чарджер, включающий в себя умную систему зарядки, возможность активной балансировки аккумуляторов, поддержку режима Powerbank, индикацию заряда аккумулятора и самое главное - зарядка от USB 5V. Это позволяет отказаться от различных ЗУ и использовать только универсальный порт USB, который можно найти почти везде.

Для того, чтобы перевести Чарджер в режим зарядки, необходимо вывод MODE установить к низкому уровню (на плате по умолчанию), для режима Powerbank подать высокий уровень, в этих режимах при помощи специального вывода PB можно включать индикацию уровня заряда. Более подробно об этом и все остальные расчеты приведены в официальном datasheet.
 

4. Тесты

Фото собранного устройства

Архив файлов к проекту: https://disk.yandex.ru/d/toQ3deXyBR-dMw

Теги:

• Sprint-Layout
• УНЧ
• Bluetooth