使用D類放大器應(yīng)對(duì)汽車音頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　由于車載信息娛樂系統(tǒng)不斷增添更多功能和予系統(tǒng)，本體和中繼單元的音頻功率預(yù)算已逼近極限。車載音頻設(shè)計(jì)人員正在尋找低成本的高性能解決方案。很多人認(rèn)為，適當(dāng)使用效率超高的D類放大器正逐漸成為最明智的可行性選擇。

　　與家庭影院系統(tǒng)中應(yīng)用的音頻放大器不同，設(shè)計(jì)工程師并不可能在簡(jiǎn)單加大功率的同時(shí)找到控制音頻質(zhì)量的合適方式以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。汽車儀表板下的音響本體對(duì)散熱和空間要求非常嚴(yán)格。電源電壓同樣受到限制，并且經(jīng)常受到諸如電壓尖峰和車內(nèi)其他電子和機(jī)械系統(tǒng)的干擾。同時(shí)，隨著揚(yáng)聲器和通道的增加，功率要求更高，容納音頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的空間卻更小。

　　這樣，音頻功率需求必然會(huì)增加。有兩種主要方法可以應(yīng)對(duì)這種處境。一種是傳統(tǒng)方法，即添加更多由標(biāo)準(zhǔn)音頻放大器驅(qū)動(dòng)的通道。這一解決方案已應(yīng)用于有源音頻系統(tǒng)，其中每個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)揚(yáng)聲器。但由于通道數(shù)量繁多，這種方案越來越復(fù)雜，且越來越難以作為整體解決方案處理。

　　另一種方法是通過降低揚(yáng)聲器電阻，或使用DC／DC轉(zhuǎn)換器來提高電源電壓，從而提高功率輸出。采用這種解決方案，單個(gè)放大器可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)或三個(gè)揚(yáng)聲器，且仍可保持音頻的高性能。

　　但兩種方法都存在著共同的缺陷：都會(huì)增加耗散功率。因此，為達(dá)到耗散功率目標(biāo)，需要利用更加高效的放大器。

　　與AB類放大器相比，D類放大器的效率高達(dá)95％，可使功率預(yù)算得到控制，同時(shí)生成超兒音效。這同時(shí)意味著它們所需的散熱片更小，在緊湊的空間內(nèi)可以安裝更多的電子元件。但不可忽視，D類放大器比AB類昂貴，而且具有特殊的設(shè)計(jì)要求。圖1為AB類放大器與D類放大器在一定輸出功率范圍內(nèi)的效率對(duì)比。

　　值得注意的是，這兩種方法并非互不相容。實(shí)際上，創(chuàng)新的工程設(shè)計(jì)通常都使用混合解決方案，車載音頻也不例外。設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)根據(jù)以下關(guān)鍵因素做出決定：

　　音響本體的大小、功率要求和功率耗散性能

　　音頻系統(tǒng)的成本

　　音頻性能

　　消除其他電子和機(jī)電設(shè)備的干擾 

　　D類和AB類放大器對(duì)比

　　AB類放大器因其眾多優(yōu)點(diǎn)，成為目前汽車音頻應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)放大器。相關(guān)技術(shù)也較為成熟，相對(duì)而言易于開發(fā)各種應(yīng)用，且無需調(diào)整。AB類放大器與D類放大器的早期產(chǎn)品相比，AB類放大器具有不產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的天然優(yōu)勢(shì)。

　　但AB類放大器50％的工作效率導(dǎo)致功率和散熱相對(duì)較高，這一點(diǎn)在音頻系統(tǒng)極為精密復(fù)雜的情況下顯得很重要。對(duì)音響本體，由于功率耗散增加，AB類放大器18V或更高的電源電壓并不會(huì)產(chǎn)生更高的輸出功率。

　　相比而言，D類放大器工作效率達(dá)90％，可以設(shè)計(jì)數(shù)字連接，以便與處理音頻的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)連接，從而為DSP節(jié)省了集成模擬／數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器的成本。D類放大器還可以集成到60 V配電干線中。

　　六通道案例

　　現(xiàn)在，大多數(shù)量產(chǎn)轎車都配備四個(gè)音頻通道，連接八個(gè)揚(yáng)聲器。此外，放大器必須支持整個(gè)音頻頻率范圍，且低音和中音揚(yáng)聲器通常共用一個(gè)通道和功率放人器。四通道配置的這一最后調(diào)整會(huì)在車門附近形成回聲。

　　增加兩個(gè)通道可以解決許多問題。首先，這樣可以讓功率巨大的低音揚(yáng)聲器單獨(dú)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過兩個(gè)新增通道，將聲音傳送至汽車前座下的揚(yáng)聲器，消除車門回聲。還可以實(shí)現(xiàn)更高的聲音保真度，因?yàn)樗袚P(yáng)聲器都不必在整個(gè)頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。四通道與六通道音頻結(jié)構(gòu)比較見圖2。

　　但每位汽車音頻設(shè)計(jì)人員都會(huì)告訴你，空間和散熱要求會(huì)將音響本體的功率耗散限制在20W以內(nèi)。解決該問題的傳統(tǒng)方法是將部分揚(yáng)聲器線路連接到中繼單元的外部放大器配電盒中。這種解決方案盡管可行，但會(huì)使系統(tǒng)在整體上更加復(fù)雜，同時(shí)提高成本。

　　適當(dāng)應(yīng)用D類放大器是一種成本經(jīng)濟(jì)的解決方案。首先看一下傳統(tǒng)放大器數(shù)值，效率為55％的AB類放大器會(huì)耗散4.5W，而效率達(dá)94％的D類放人器僅耗散0.6W。

　　使用六個(gè)AB類放大器通道，共計(jì)產(chǎn)生27W的功率耗散，這要比音響本體通常最大的耗散還多。但如果混合使用兩種放大器就可以達(dá)到功率預(yù)算的要求，即使是僅使用兩個(gè)D類放大器(最有可能用于低音揚(yáng)聲器)。圖3為在六通道音頻系統(tǒng)中僅使用兩個(gè)D類放大器的方案與其他方案的比較，最后一行顯示了20W和特定配置的總功率耗散之間的差值。

　　D類放大器的成本可能會(huì)使方案B成為最適合中端汽車的選擇。但展望未來，尤其是未來的“頂級(jí)音頻系統(tǒng)”市場(chǎng)(以及更高電壓電軌市場(chǎng))，D類放大器很有可能擴(kuò)展其市場(chǎng)滲透率。

　　頂級(jí)汽車的音頻系統(tǒng)可能會(huì)支持至少8個(gè)、最多22個(gè)通道，其中許多都會(huì)排入中繼單元。如果系統(tǒng)不采用D類放大器，支持大量聲通道會(huì)成為幾乎不可能完成的任務(wù)。

　　在不斷權(quán)衡成本和音質(zhì)目標(biāo)的過程中，設(shè)計(jì)工程師可以研究出AB類和D類放大器的多種組合。D類放大器的首要適用領(lǐng)域是要求低功率耗散以及高輸出功率的應(yīng)用場(chǎng)合。這些應(yīng)用場(chǎng)合包括高于90W的系統(tǒng)。具體應(yīng)用類別可分為以下四種:

　　頂級(jí)音頻系統(tǒng)：由AB類和D類放大器混合驅(qū)動(dòng)8～22個(gè)通道，輸出功率大于每通道28W。

　　中端音頻系統(tǒng)，針對(duì)低功率耗散進(jìn)行優(yōu)化：由D類放大器驅(qū)動(dòng)4～6個(gè)通道，輸出功率大于每通道25W。

　　中端音頻系統(tǒng)，針對(duì)成本進(jìn)行優(yōu)化：由AB類和D類放大器混合驅(qū)動(dòng)的4～6個(gè)通道。

　　初級(jí)音頻系統(tǒng)：由AB類放大器驅(qū)動(dòng)的2～4個(gè)通道，輸出功率低于每通道28W。

　　在汽車音頻系統(tǒng)中優(yōu)化D類放大器

　　車載環(huán)境對(duì)于D類放大器的應(yīng)用而言極具挑戰(zhàn)。舉例來說，D類放大器的輸出電壓受電源電壓的影響，而汽車中的供應(yīng)電壓并不恒定。因此，實(shí)際中必須采取措施抑制電源的紋波電壓，使用二階反饋回路可以實(shí)現(xiàn)這一抑制效果。

　　如前所述，開關(guān)引起的EMI干擾是D類放大器最重要的問題之一。在設(shè)計(jì)層而，通過相位交錯(cuò)、頻率跳動(dòng)和AD／BD調(diào)制，可以減輕EMI干擾。恩智浦進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)出一項(xiàng)專利解決方案，將EMI抑制功能融入放大器本身。

　　引起EMI干擾的電流尖峰成因是放大器開關(guān)時(shí)晶體管之間的空載時(shí)間?？蛰d時(shí)，電荷積聚在二極管中，并以圖4所示的電流尖峰形式釋放，圖中紅線代表電流尖峰。

　　顯而易見，解決EMI干擾的方法就是消除空載時(shí)間。恩智浦的半導(dǎo)體制造專家指出，絕緣硅片(SOI)技術(shù)是理想選擇，因?yàn)樗性伎赏ㄟ^氧化物實(shí)現(xiàn)絕緣。當(dāng)輸出低于地線時(shí)，設(shè)備的基片不會(huì)積聚電荷，減少了逆回復(fù)時(shí)間，且與其他通道沒有交叉干擾。

　　恩智浦在D類放大器中采用了SOI Advanced Bipolar-CMOS-DMOS(ABCD)技術(shù)。除抑制EMI干擾外，該工藝與批量Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工藝相比，還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即不會(huì)發(fā)生可能破壞設(shè)備的閂鎖效應(yīng)。

　　總結(jié)

　　D類放大器日益受到汽車音頻應(yīng)用的青睞。也許到2015年時(shí)，它們會(huì)占據(jù)300％的汽車音頻放大器市場(chǎng)。恩智浦積累了大量的D類放大器知識(shí)。這些消費(fèi)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)隨著D類放大器逐漸進(jìn)入汽車領(lǐng)域，將會(huì)帶來引領(lǐng)潮流的產(chǎn)品與應(yīng)用。