汽车音频总线A²B系列收发器AD2420(W)/AD2426(W)等深度解析

在汽车电子领域，音频系统的性能和稳定性至关重要。而Analog Devices推出的AD2420(W)/AD2426(W)/AD2427(W)/AD2428(W)/AD2429(W)系列A²B收发器，为汽车音频通信带来了全新的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这些收发器的特点、性能以及设计要点。

文件下载：AD2429WCCPZ01.pdf

一、A²B总线与收发器概述

1.1 A²B总线特点

A²B总线采用线拓扑结构，是单主多从的系统。节点间距离可达15m，总电缆长度可达40m。它支持同步数据传输，能实现多通道I2S/TDM到I2S/TDM的通信，所有节点的时钟同步且相位对齐，从节点到从节点的通信延迟低。同时，还能通过I2C进行控制和状态信息的通信，具备GPIO和中断功能，从节点可采用总线供电或本地供电，并且可以使用SigmaStudio图形化软件工具进行配置，还通过了AEC - Q100汽车应用认证。

1.2 收发器特点

这些收发器可配置为A²B总线主设备或从设备，具备I2C接口，支持8位到32位的多通道I2S/TDM接口，可编程I2S/TDM数据速率，最多有32个上行和32个下行通道。此外，还有PDM接口，可编程PDM时钟速率，最多支持4个高动态范围麦克风输入，能同时接收I2S数据和最多4个PDM麦克风的数据。每个收发器都有唯一的ID寄存器，支持交叉或直通布线，还可通过可编程设置优化EMC性能。

二、产品对比

不同型号的AD242x(W)系列收发器在功能上存在差异。例如，AD2428(W)和AD2429(W)具备主设备能力，而AD2420(W)、AD2426(W)和AD2427(W)则不具备。在可发现的从设备数量、功能TRX块、I2S/TDM支持、PDM麦克风输入数量以及最大节点间电缆长度等方面也各有不同。工程师在选择时，需要根据具体的应用需求来挑选合适的型号。

三、A²B总线通信细节

3.1 通信系统结构

A²B通信系统是单主多从结构，主机通过I2S/TDM接口以固定频率（通常为48kHz）生成周期性同步信号，所有A²B节点都以此信号同步。通信以周期性超帧进行，超帧频率与同步信号频率相同，数据传输比特率是其1024倍（通常为49.152MHz）。每个超帧分为下行传输、上行传输和无传输（总线不驱动）三个阶段。

3.2 数据传输过程

在超帧中，主节点先发送同步前导码和控制数据形成同步控制帧（SCF），随后添加TDM同步数据。每个从节点可以使用或消耗部分下行数据，并为下游节点添加数据。最后一个从节点在响应时间后发送同步响应帧（SRF），各节点再添加上行同步数据。通过这种方式，主机可以单独寻址每个从节点，并实现多节点间的I2C通信。

3.3 同步与延迟

A²B系统中的所有节点在同一超帧中同步采样，主节点的同步I2S/TDM下行数据在同一超帧到达所有从节点，各节点的上行音频数据也在同一I2S/TDM帧同步到达主节点。不过，数据在A²B总线和I2S/TDM接口之间传输会有采样延迟，整体延迟略超过两个采样周期（在48kHz采样周期下<50μs）。

四、接口特性

4.1 I2C接口

I2C接口用于访问内部寄存器，在A²B主设备中具有从功能，在A²B从设备中具有主或从功能，支持多主模式，速率为100kbps或400kbps，采用7位寻址，支持单字和突发模式读写操作以及时钟拉伸。所有收发器可通过本地连接的处理器使用7位I2C设备地址访问，主设备配置的收发器还可通过另一个I2C设备地址远程访问从节点。

4.2 I2S/TDM接口

I2S/TDM串行端口工作在全双工模式，使用相同的关键定时位时钟（BCLK）和同步（SYNC）引脚。A²B从设备收发器在BCLK和SYNC输出引脚生成定时信号，A²B主设备收发器将这些引脚作为输入。该接口具有可编程时钟和帧同步定时及极性、多种TDM操作模式、16或32位数据宽度、可与PDM端口同时操作以及单或双引脚输入/输出等特点。此外，从设备收发器还可降低I2S/TDM/PDM接口的速率。

4.3 PDM接口

PDM接口将PDM输入流转换为脉冲编码调制（PCM）数据，可通过A²B总线发送或输出到本地节点。它支持高动态范围麦克风，具有高信噪比和扩展的最大声压级，支持12kHz、24kHz和48kHz的帧速率，可用于主设备和从设备收发器。较低的PDM采样速率（如低至375Hz）也可结合收发器的降速功能实现。

五、其他特性

5.1 GPIO远程通信

收发器支持多节点间的通用输入/输出（GPIO）通信，初始编程后无需主机干预，主机仅需进行GPIO总线端口的初始设置。不同节点的I/O引脚可以进行逻辑OR或AND门组合。

5.2 邮箱功能

收发器通过两个专用邮箱支持中断驱动的双向消息交换，可用于不同从节点的I2C主设备（微控制器）与连接到主节点收发器的主机之间的通信，用于协调系统事件，如音频同步。

5.3 从节点间数据槽交换

从节点收发器可通过DTX0和DTX1引脚选择性输出来自其他节点的上行或下行数据，无需将数据槽路由通过主节点。接收数据通道可根据可编程偏移跳过。

5.4 时钟维持状态

当总线通信丢失且从节点无法恢复可靠时钟时，本地供电的从节点进入时钟维持状态，其音频信号会被衰减。在该状态下，从节点收发器的锁相环（PLL）继续运行1024个SYNC周期，同时将I2S DTX0到DTX1数据从当前值衰减到0，之后从节点收发器复位并重新进入上电状态。

5.5 优化EMC性能的可编程设置

• 可编程LVDS传输电平：LVDS发射器可设置为高、中、低传输电平。较高的传输电平可提高对EMI的抗扰性，较低的传输电平可减少双绞线电缆的辐射。
• 扩频时钟：默认情况下，收发器的扩频时钟功能禁用，但可通过寄存器写入在发现过程中启用所有内部时钟的扩频时钟。启用后，可降低印刷电路板（PCB）上的窄带辐射，但会增加时钟输出的时间间隔误差（TIE）抖动。
• 唯一ID：每个收发器都有唯一的ID，可通过软件从寄存器中读取，读取失败时可生成中断。
• 支持交叉或直通布线：通过交换B侧连接器的直流耦合可支持直通电缆。
• 仅数据和仅电源总线操作：A²B总线可在不闭合PMOS开关的情况下发送直流偏置，也可在没有数据的情况下发送直流偏置，这些功能仅用于调试目的。

六、规格与性能

6.1 工作条件

包括电源电压（如DVDD、IOVDD、PLLVDD、TRXVDD、I2C_VBUS等）、电压调节器（VREG1、VREG2）的输入输出电压、数字I/O的高低电平输入电压以及温度范围等参数都有明确的规定。

6.2 电气特性

涵盖了各种电流（如IDVDD、IPLLVDD、ITRXVDD等）、电压调节器的输出电压和电流、数字I/O的输入泄漏电流和输出电压等参数。

6.3 电源抑制比（PSRR）

给出了典型的PSRR曲线，不同负载电流下的PSRR特性有所不同。

6.4 时序规格

包括时钟和复位时序（如SYNC引脚输入频率、抖动、总线时钟等）、PDM麦克风输入时序、GPIO时序、I2C端口时序和I2S时序等。

6.5 功率分析

功率分析对于设计电源和散热方案至关重要。A²B节点的功率消耗取决于多种因素，如所需的外部外设电源电流和总线活动。系统中可能包含总线供电的从节点和本地供电的从节点，总线供电系统的功率估计更为复杂。功率分析需要将系统划分为从同一电源供电的节点段。

6.6 热特性

通过相关公式可计算结温，热特性参数（如θJA、θJC、θJB、ΨJT等）对于PCB设计和散热考虑非常重要。

七、设计要点

7.1 电源上电顺序

当外部供电时，DVDD和IOVDD必须在VIN开始上升之前达到规格的至少90%。为避免输入引脚损坏并确保启动时正确采样ADR1/ADR2引脚，IOVDD必须在外部设备驱动输入信号之前处于规格范围内。

7.2 布局指南

为了最大化性能和信号完整性，在PCB布局时需要遵循一系列规则，如有效焊接收发器下方的暴露焊盘到PCB的接地平面、将电源去耦电容尽可能靠近收发器芯片放置、缩短所有走线长度、对称路由AP/AN和BP/BN信号、屏蔽信号、避免使用走线短截线、匹配差分阻抗等。

八、总结

AD2420(W)/AD2426(W)/AD2427(W)/AD2428(W)/AD2429(W)系列A²B收发器为汽车音频通信提供了强大而灵活的解决方案。工程师在设计汽车音频系统时，需要充分了解这些收发器的特点、性能和设计要点，根据具体的应用需求选择合适的型号，并严格遵循布局和电源设计规则，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。