使用D類放大器應對汽車音頻設計挑戰(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算已逼近極限。車載音頻設計人員正在尋找低成本的高性能解決方案。很多人認為，適當使用效率超高的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)中應用的音頻放大器不同，設計工程師并不可能在簡單加大功率的同時找到控制音頻質(zhì)量的合適方式以實現(xiàn)這些目標。汽車儀表板下的音響本體對散熱和空間要求非常嚴格。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)其他電子和機械系統(tǒng)的干擾。同時，隨著揚聲器和通道的增加，功率要求更高，容納音頻驅(qū)動系統(tǒng)的空間卻更小。

　　這樣，音頻功率需求必然會增加。有兩種主要方法可以應對這種處境。一種是傳統(tǒng)方法，即添加更多由標準音頻放大器驅(qū)動的通道。這一解決方案已應用于有源音頻系統(tǒng)，其中每個放大器驅(qū)動一個揚聲器。但由于通道數(shù)量繁多，這種方案越來越復雜，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，單個放大器可以驅(qū)動兩個或三個揚聲器，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：都會增加耗散功率。因此，為達到耗散功率目標，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95％，可使功率預算得到控制，同時生成超兒音效。這同時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，而且具有特殊的設計要求。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)的效率對比。

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

　　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

　　消除其他電子和機電設備的干擾 

　　D類和AB類放大器對比

　　AB類放大器因其眾多優(yōu)點，成為目前汽車音頻應用領域的標準放大器。相關技術(shù)也較為成熟，相對而言易于開發(fā)各種應用，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。

　　但AB類放大器50％的工作效率導致功率和散熱相對較高，這一點在音頻系統(tǒng)極為精密復雜的情況下顯得很重要。對音響本體，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產(chǎn)生更高的輸出功率。

　　相比而言，D類放大器工作效率達90％，可以設計數(shù)字連接，以便與處理音頻的數(shù)字信號處理器(DSP)連接，從而為DSP節(jié)省了集成模擬／數(shù)字信號轉(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)轎車都配備四個音頻通道，連接八個揚聲器。此外，放大器必須支持整個音頻頻率范圍，且低音和中音揚聲器通常共用一個通道和功率放人器。四通道配置的這一最后調(diào)整會在車門附近形成回聲。

　　增加兩個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聲器單獨驅(qū)動經(jīng)過兩個新增通道，將聲音傳送至汽車前座下的揚聲器，消除車門回聲。還可以實現(xiàn)更高的聲音保真度，因為所有揚聲器都不必在整個頻率范圍內(nèi)運行。四通道與六通道音頻結(jié)構(gòu)比較見圖2。

　　但每位汽車音頻設計人員都會告訴你，空間和散熱要求會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，但會使系統(tǒng)在整體上更加復雜，同時提高成本。

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

　　使用六個AB類放大器通道，共計產(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到功率預算的要求，即使是僅使用兩個D類放大器(最有可能用于低音揚聲器)。圖3為在六通道音頻系統(tǒng)中僅使用兩個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“頂級音頻系統(tǒng)”市場(以及更高電壓電軌市場)，D類放大器很有可能擴展其市場滲透率。

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

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

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

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

　　中端音頻系統(tǒng)，針對成本進行優(yōu)化：由AB類和D類放大器混合驅(qū)動的4～6個通道。

　　初級音頻系統(tǒng)：由AB類放大器驅(qū)動的2～4個通道，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)境對于D類放大器的應用而言極具挑戰(zhàn)。舉例來說，D類放大器的輸出電壓受電源電壓的影響，而汽車中的供應電壓并不恒定。因此，實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現(xiàn)這一抑制效果。

　　如前所述，開關引起的EMI干擾是D類放大器最重要的問題之一。在設計層而，通過相位交錯、頻率跳動和AD／BD調(diào)制，可以減輕EMI干擾。恩智浦進一步設計開發(fā)出一項專利解決方案，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時晶體管之間的空載時間?？蛰d時，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間。恩智浦的半導體制造專家指出，絕緣硅片(SOI)技術(shù)是理想選擇，因為所有元件都可通過氧化物實現(xiàn)絕緣。當輸出低于地線時，設備的基片不會積聚電荷，減少了逆回復時間，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，還有另一個優(yōu)點，即不會發(fā)生可能破壞設備的閂鎖效應。

　　總結(jié)

　　D類放大器日益受到汽車音頻應用的青睞。也許到2015年時，它們會占據(jù)300％的汽車音頻放大器市場。恩智浦積累了大量的D類放大器知識。這些消費領域的經(jīng)驗隨著D類放大器逐漸進入汽車領域，將會帶來引領潮流的產(chǎn)品與應用。