Analogtipp Class-D-Verstärker: Echtzeitdiagnose für Audio-Applikationen im Auto

In Kfz-Audiosystemen werden zunehmend Diagnosefunktionen zur Überwachung von Class-D-Verstärkern und Lautsprechern genutzt. Die Lautsprecher sind an die Telematik-Steuereinheit angeschlossen und werden bei Unfall oder Panne aktiviert. Wie sich Class-D-Audioverstärker echtzeitfähig machen lassen..

Unter den Audiosystemen moderner Autos gehören die an die Telematikeinheit angeschlossenen Lautsprecher zu den sicherheitsrelevanten Systemen, denn sie werden unter anderem zur Ausgabe von Warnmeldungen genutzt. Leitungsunterbrechungen oder Kurzschlüsse müssen hier unbedingt detektiert werden.

Gewährleistet wird dies durch die Verwendung von Klasse-D-Audioverstärkern mit Echtzeitdiagnose. Der TAS5431-Q1 ist ein Klasse-D-Verstärker, der sich mit überschaubarem Aufwand echtzeitfähig machen lässt, sodass Kurzschlüsse des positiven und des negativen Ausgangs zur Batterie oder zur Masse, Kurzschlüsse zwischen beiden Ausgängen sowie Leitungsunterbrechungen im laufenden Betrieb detektiert werden.

Um Kurzschlüsse zwischen beiden Ausgängen zu erkennen, wird ein niederfrequentes Baseline-Signal von 5 Hz und 200 mV_PP unter das Audiosignal gemischt. Unabhängig vom Vorliegen eines Audiosignals erzeugt dieses Baseline-Signal an einem 50-mΩ-Strommesswiderstand einen Spannungsabfall, der von einem Strommessverstärker des Typs INA180-Q1 verstärkt wird (Bild 1).

Der INA180-Q1 wandelt das bipolare Baseline-Signal dazu in ein gleichgerichtetes Signal um, sodass danach nur noch ein einfacher RC-Filter notwendig ist, um ein DC-Signal zu erzeugen, das dem GPIO-Eingang oder dem A/D-Wandler eines Mikrocontrollers zugeführt werden kann. Mit ihrer Höhe von 1 V liegt die vom INA180-Q1 erzeugte Ausgangsspannung über dem für diese Anwendung gewählten Grenzwert.

Da die Spannung jedoch abhängig von der Applikation unterschiedlich hoch sein kann, wird der INA180-Q1 in verschiedenen Varianten angeboten. Dank des großen Eingangs-Gleichtaktbereichs des Strommessverstärkers von 26 V ist ferner gewährleistet, dass auch bei Kurzschlüssen zur Batterie, die mit Spannungen bis zu 16 V auf den Leitungen einhergehen können, keine Schäden entstehen.

Bei einer Leitungsunterbrechung fließt kein Strom durch den Widerstand, sodass am Ausgang des INA180-Q1 eine Spannung von 0 V anliegt. Mit einem angeschlossenen Komparator oder A/D-Wandler lassen sich diese Zustände somit problemlos erkennen (Bild 2).

Im Fehlerfall muss der Klasse-D-Verstärker sich selbst und die an ihn angeschlossenen Schaltungen vor Schäden schützen und den Fehler diagnostizieren. Andererseits aber muss er auch erkennen, wenn der Fehler behoben ist. Der TAS5431-Q1 durchläuft hierfür fortlaufend einen 229 ms dauernden Diagnosezyklus und registriert somit umgehend, wenn ein zuvor festgestellter Fehler nicht mehr besteht. In diesem Fall kann die Ausgangsstufe wieder ihren regulären Betrieb aufnehmen.

Abhängig von der Gesamtimpedanz der angeschlossenen Last kann es unter Umständen schwierig sein, Kurzschlüsse zwischen negativem und positivem Ausgang zu detektieren, denn jeder Klasse-D-Verstärker besitzt eine bestimmte Impedanzschwelle, bei deren Unterschreitung ein Kurzschluss zwischen beiden Ausgängen festgestellt wird. Tritt der Kurzschluss aber in großer Entfernung zum Verstärker auf, ist die Impedanz der Leitung unter Umständen so groß, dass die Ansprechschwelle der Fehlerdetektierung nicht mehr unterschritten wird.

Immerhin kann die Leitungslänge in Fahrzeuganwendungen ohne weiteres 10 bis 12 m betragen und auch die Steckverbinder können die Impedanz so weit ansteigen lassen, dass die Differenz zur Ansprechschwelle des Verstärkers nur noch sehr gering ist. Abhilfe kann unter anderem die Wahl eines kleineren Strommesswiderstands und einer Version des INA180-Q1 mit höherem Verstärkungsfaktor schaffen. Nicht zuletzt ist ein sorgfältiges Leiterplattendesign unerlässlich, um sicherzustellen, dass alle Kurzschlüsse vom TAS5431-Q1 sicher erkannt werden. (kr)

* Jared Becker ist Technical Sales Manager bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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