更大限度減小放大器尺寸和降低熱負(fù)荷的汽車音頻設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

集成在信息娛樂系統(tǒng)中的音頻解決方案可能有所不同，有典型的四音頻通道（兩個(gè)音箱在前，兩個(gè)音箱在后），也有無需外部放大器即可驅(qū)動(dòng)6或8個(gè)總揚(yáng)聲器的新型解決方案。

這些信息娛樂系統(tǒng)中的高通道數(shù)系統(tǒng)可能集成：

?        中置音箱。

?        獨(dú)立高頻音箱/中音音箱/低音音箱。

?        儀表盤警報(bào)聲或提示音。

?        其他可以傳遞信息的音箱，如警告駕駛員在車輛處于半自動(dòng)駕駛模式時(shí)控制方向盤或剎車。

一些高端汽車模型實(shí)際上可能有多達(dá)20個(gè)音箱。這些音頻系統(tǒng)中的音箱由通常安裝在汽車后備箱附近的外部放大器驅(qū)動(dòng)。這些音頻系統(tǒng)還包括更先進(jìn)的聲音算法，如可以提供更加個(gè)性化音響體驗(yàn)的主動(dòng)降噪技術(shù)。

在隨后的每一個(gè)車型年，汽車制造商正在增加越來越多的電子器件。再加上需要直接從信息娛樂系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)6到8個(gè)音箱，儀表盤后面的空間現(xiàn)在是前所未有的出色。因此，音頻硬件的設(shè)計(jì)師應(yīng)首先開發(fā)散熱更低的小型汽車音頻放大器解決方案。在本文中，我將描述驅(qū)動(dòng)整體音頻放大器的四個(gè)因素：

?        效率/熱性能。

?        開關(guān)頻率。

?        電感器尺寸。

?        包裝設(shè)計(jì)。

效率/熱性能

?        傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員使用AB類線性音頻放大器來設(shè)計(jì)汽車收音機(jī)。AB類線性放大技術(shù)遠(yuǎn)沒有新的、但相當(dāng)成熟的D類交換技術(shù)高效。圖1突出了其差別。

圖1.D 類 和 AB 類 效 率

AB類效率損失直接導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生額外熱量，然后需要在音頻放大器外部進(jìn)行散熱。由于AB類設(shè)計(jì)需要更大的散熱器，這也使持續(xù)減小整個(gè)汽車音頻放大器系統(tǒng)解決方案尺寸變得更加困難。

D類放大器能夠獲得相同的輸出功率，但散熱顯著減少，這使得設(shè)計(jì)人員能夠使用更小、更簡(jiǎn)單的散熱器將散熱量傳輸?shù)街車h(huán)境中。

開關(guān)頻率

安裝在儀表盤后面相對(duì)狹小空間內(nèi)的電子器件數(shù)量增加了電路可以近距離發(fā)射干擾信號(hào)的可能性。更重要的是，現(xiàn)代收音機(jī)和音頻放大器必須在AM波段中提供更好的抗電磁干擾性能(EMI)，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

美國(guó)AM廣播電臺(tái)的波段范圍為535 kHz至1705 kHz?，F(xiàn)有的D類音頻放大器設(shè)計(jì)通常在400 kHz至500 kHz范圍內(nèi)以基本開關(guān)頻率運(yùn)行。這些低開關(guān)頻率D類放大器設(shè)計(jì)直接在AM波段內(nèi)產(chǎn)生諧波，如圖2所示。

圖 2 . 典 型 400 kHz D 類 放 大 器 諧 波

諧波會(huì)產(chǎn)生降低AM接收器靈敏度的干擾信號(hào)，從而妨礙AM廣播電臺(tái)接收。在D類放大器設(shè)計(jì)上運(yùn)用AM避免技術(shù)能夠減輕這些諧波的影響。

D類音頻放大器需要重建濾波器將放大器輸出的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需的模擬音頻信號(hào)。這些輸出濾波器由電感器（L）和電容器（C）構(gòu)成（如圖3所示），用于典型的橋接負(fù)載（BTL）放大器電路，且能夠更大限度地減少D類放大器輸出級(jí)上的高速開關(guān)瞬態(tài)電磁干擾。

圖 3. D 類 放 大 器 BTL 電 路

在2.1 MHz開關(guān)頻率下運(yùn)行的汽車D類音頻放大器在AM波段上方提供顯著裕度，如圖4所示。此設(shè)計(jì)不存在任何會(huì)干擾AM波段的低頻尖峰，因而不再需要AM避免技術(shù)。

圖 4. 2.1 MHz高 開 關(guān) 頻 率

另一個(gè)好處是，由于紋波電流的內(nèi)在減少，2.1 MHz開關(guān)頻率可以使輸出濾波器的電感值更低。等效額定電流的低電感會(huì)導(dǎo)致電感較小，從而減少印刷電路板（PCB）面積，且隨后減少EMI占用面積。

電感器尺寸

對(duì)于D類汽車音頻放大器，LC濾波器所需的電感值（用以確保合適PWM解調(diào)濾波器特性）取決于開關(guān)頻率。如圖5所示，400 kHz汽車音頻放大器通常使用10 μH或8.2 μH電感值，而2.1 MHz高開關(guān)頻率放大器設(shè)計(jì)可以利用3.3 μH至3.6 μH范圍內(nèi)更小更輕的電感器（假設(shè)每個(gè)放大器提供相同的輸出功率）。

正如之前提到的，典型汽車收音機(jī)設(shè)計(jì)至少有4個(gè)通道來驅(qū)動(dòng)2個(gè)前端揚(yáng)聲器和2個(gè)后端揚(yáng)聲器。這種簡(jiǎn)單的配置需要8個(gè)電感器以用于D類汽車音頻放大器，因?yàn)槊總€(gè)通道需要2個(gè)電感器，如圖3所示。因此，每個(gè)電感器的尺寸乘以8，對(duì)整體PCB尺寸和設(shè)計(jì)重量有著重要的影響。一般來說，從8.2 μH電感器轉(zhuǎn)換到3.3 μH電感器可以節(jié)省電路板上85%以上的電感器空間和減小85%以上的重量。

包裝設(shè)計(jì)

另一個(gè)能夠大大減小汽車信息娛樂系統(tǒng)中整體系統(tǒng)解決方案尺寸的音頻放大器注意事項(xiàng)是放大器包裝的設(shè)計(jì)。

正方形包裝設(shè)計(jì)在包裝底部有輸入，還有兩個(gè)音頻輸出，且LC濾波器正交放置在放大器的一側(cè)。如圖6所示，這種類型的包裝設(shè)計(jì)大大增加了整個(gè)PCB的占用面積。

圖 6.正方形4通道音頻放大器包裝設(shè)計(jì)

帶有“流式”音頻信號(hào)設(shè)計(jì)的正方形包裝是更好的選擇。圖7說明了模擬輸入信號(hào)如何進(jìn)入芯片一側(cè)的放大器；音頻信號(hào)的放大發(fā)生在放大器的另一側(cè)，信號(hào)隨后被傳送到外部輸出濾波器中。

圖 7.直 流 4通 道 音 頻 放 大 器 包 裝 設(shè) 計(jì)

TPA6304-Q1音頻放大器使用具有TI Burr-Brown?技術(shù)的2.1 MHz高開關(guān)頻率D類放大器技術(shù)。TPA6304-Q1通過結(jié)合3.3 μH金屬合金電感器和直流包裝設(shè)計(jì)，可以提供一個(gè)尺寸只有17 mm x 16 mm的4通道汽車D類放大器解決方案。見圖8。

圖 8. TPA6304-Q1 4通 道D類 放 大 器 解 決 方 案

TPA6304-Q1（包括用于整體系統(tǒng)解決方案的所有無源電子元件）比傳統(tǒng)的AB類放大器還要小，如圖9所示。

圖 9.TPA6304-Q1 D類放大器解決方案與AB類放大器的尺寸比較

結(jié)論

汽車上安裝的電子器件越多，儀表盤后狹小空間內(nèi)的整體熱量就越來越高。因此，汽車音頻硬件設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)更小、散熱更低的音頻解決方案。音頻放大器的效率只會(huì)在未來的信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)中變得更加重要。

TPA6304-Q1可輕易取代AB類汽車音頻放大器。TPA6304-Q1的2.1 MHz開關(guān)頻率和小型系統(tǒng)解決方案尺寸可以讓你以AB類系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)D類效率。