更大限度減小放大器尺寸和降低熱負荷的汽車(chē)音頻設計注意事項

集成在信息娛樂(lè )系統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(wú)需外部放大器即可驅動(dòng)6或8個(gè)總揚聲器的新型解決方案。

這些信息娛樂(lè )系統中的高通道數系統可能集成：

?        中置音箱。

?        獨立高頻音箱/中音音箱/低音音箱。

?        儀表盤(pán)警報聲或提示音。

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

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

在隨后的每一個(gè)車(chē)型年，汽車(chē)制造商正在增加越來(lái)越多的電子器件。再加上需要直接從信息娛樂(lè )系統驅動(dòng)6到8個(gè)音箱，儀表盤(pán)后面的空間現在是前所未有的出色。因此，音頻硬件的設計師應首先開(kāi)發(fā)散熱更低的小型汽車(chē)音頻放大器解決方案。在本文中，我將描述驅動(dòng)整體音頻放大器的四個(gè)因素：

?        效率/熱性能。

?        開(kāi)關(guān)頻率。

?        電感器尺寸。

?        包裝設計。

效率/熱性能

?        傳統上，設計人員使用AB類(lèi)線(xiàn)性音頻放大器來(lái)設計汽車(chē)收音機。AB類(lèi)線(xiàn)性放大技術(shù)遠沒(méi)有新的、但相當成熟的D類(lèi)交換技術(shù)高效。圖1突出了其差別。

圖1.D 類(lèi) 和 AB 類(lèi) 效 率

AB類(lèi)效率損失直接導致內部產(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A(yíng)B類(lèi)設計需要更大的散熱器，這也使持續減小整個(gè)汽車(chē)音頻放大器系統解決方案尺寸變得更加困難。

D類(lèi)放大器能夠獲得相同的輸出功率，但散熱顯著(zhù)減少，這使得設計人員能夠使用更小、更簡(jiǎn)單的散熱器將散熱量傳輸到周?chē)h(huán)境中。

開(kāi)關(guān)頻率

安裝在儀表盤(pán)后面相對狹小空間內的電子器件數量增加了電路可以近距離發(fā)射干擾信號的可能性。更重要的是，現代收音機和音頻放大器必須在A(yíng)M波段中提供更好的抗電磁干擾性能(EMI)，以應對這些挑戰。

美國AM廣播電臺的波段范圍為535 kHz至1705 kHz?，F有的D類(lèi)音頻放大器設計通常在400 kHz至500 kHz范圍內以基本開(kāi)關(guān)頻率運行。這些低開(kāi)關(guān)頻率D類(lèi)放大器設計直接在A(yíng)M波段內產(chǎn)生諧波，如圖2所示。

圖 2 . 典 型 400 kHz D 類(lèi) 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，從而妨礙AM廣播電臺接收。在D類(lèi)放大器設計上運用AM避免技術(shù)能夠減輕這些諧波的影響。

D類(lèi)音頻放大器需要重建濾波器將放大器輸出的脈沖寬度調制（PWM）信號轉換為所需的模擬音頻信號。這些輸出濾波器由電感器（L）和電容器（C）構成（如圖3所示），用于典型的橋接負載（BTL）放大器電路，且能夠更大限度地減少D類(lèi)放大器輸出級上的高速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電磁干擾。

圖 3. D 類(lèi) 放 大 器 BTL 電 路

在2.1 MHz開(kāi)關(guān)頻率下運行的汽車(chē)D類(lèi)音頻放大器在A(yíng)M波段上方提供顯著(zhù)裕度，如圖4所示。此設計不存在任何會(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(kāi) 關(guān) 頻 率

另一個(gè)好處是，由于紋波電流的內在減少，2.1 MHz開(kāi)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

對于D類(lèi)汽車(chē)音頻放大器，LC濾波器所需的電感值（用以確保合適PWM解調濾波器特性）取決于開(kāi)關(guān)頻率。如圖5所示，400 kHz汽車(chē)音頻放大器通常使用10 μH或8.2 μH電感值，而2.1 MHz高開(kāi)關(guān)頻率放大器設計可以利用3.3 μH至3.6 μH范圍內更小更輕的電感器（假設每個(gè)放大器提供相同的輸出功率）。

正如之前提到的，典型汽車(chē)收音機設計至少有4個(gè)通道來(lái)驅動(dòng)2個(gè)前端揚聲器和2個(gè)后端揚聲器。這種簡(jiǎn)單的配置需要8個(gè)電感器以用于D類(lèi)汽車(chē)音頻放大器，因為每個(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，對整體PCB尺寸和設計重量有著(zhù)重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，從8.2 μH電感器轉換到3.3 μH電感器可以節省電路板上85%以上的電感器空間和減小85%以上的重量。

包裝設計

另一個(gè)能夠大大減小汽車(chē)信息娛樂(lè )系統中整體系統解決方案尺寸的音頻放大器注意事項是放大器包裝的設計。

正方形包裝設計在包裝底部有輸入，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。如圖6所示，這種類(lèi)型的包裝設計大大增加了整個(gè)PCB的占用面積。

圖 6.正方形4通道音頻放大器包裝設計

帶有“流式”音頻信號設計的正方形包裝是更好的選擇。圖7說(shuō)明了模擬輸入信號如何進(jìn)入芯片一側的放大器；音頻信號的放大發(fā)生在放大器的另一側，信號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 計

TPA6304-Q1音頻放大器使用具有TI Burr-Brown?技術(shù)的2.1 MHz高開(kāi)關(guān)頻率D類(lèi)放大器技術(shù)。TPA6304-Q1通過(guò)結合3.3 μH金屬合金電感器和直流包裝設計，可以提供一個(gè)尺寸只有17 mm x 16 mm的4通道汽車(chē)D類(lèi)放大器解決方案。見(jiàn)圖8。

圖 8. TPA6304-Q1 4通 道D類(lèi) 放 大 器 解 決 方 案

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

圖 9.TPA6304-Q1 D類(lèi)放大器解決方案與AB類(lèi)放大器的尺寸比較

結論

汽車(chē)上安裝的電子器件越多，儀表盤(pán)后狹小空間內的整體熱量就越來(lái)越高。因此，汽車(chē)音頻硬件設計人員面臨的挑戰是實(shí)現更小、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(lái)的信息娛樂(lè )系統設計中變得更加重要。

TPA6304-Q1可輕易取代AB類(lèi)汽車(chē)音頻放大器。TPA6304-Q1的2.1 MHz開(kāi)關(guān)頻率和小型系統解決方案尺寸可以讓你以AB類(lèi)系統成本實(shí)現D類(lèi)效率。