使用D類(lèi)放大器應對汽車(chē)音頻設計挑戰

　　由于車(chē)載信息娛樂(lè )系統不斷增添更多功能和予系統，本體和中繼單元的音頻功率預算已逼近極限。車(chē)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(lèi)放大器正逐漸成為最明智的可行性選擇。

　　與家庭影院系統中應用的音頻放大器不同，設計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)現這些目標。汽車(chē)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(chē)內其他電子和機械系統的干擾。同時(shí)，隨著(zhù)揚聲器和通道的增加，功率要求更高，容納音頻驅動(dòng)系統的空間卻更小。

　　這樣，音頻功率需求必然會(huì )增加。有兩種主要方法可以應對這種處境。一種是傳統方法，即添加更多由標準音頻放大器驅動(dòng)的通道。這一解決方案已應用于有源音頻系統，其中每個(gè)放大器驅動(dòng)一個(gè)揚聲器。但由于通道數量繁多，這種方案越來(lái)越復雜，且越來(lái)越難以作為整體解決方案處理。

　　另一種方法是通過(guò)降低揚聲器電阻，或使用DC／DC轉換器來(lái)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)放大器可以驅動(dòng)兩個(gè)或三個(gè)揚聲器，且仍可保持音頻的高性能。

　　但兩種方法都存在著(zhù)共同的缺陷：都會(huì )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(lèi)放大器相比，D類(lèi)放大器的效率高達95％，可使功率預算得到控制，同時(shí)生成超兒音效。這同時(shí)意味著(zhù)它們所需的散熱片更小，在緊湊的空間內可以安裝更多的電子元件。但不可忽視，D類(lèi)放大器比AB類(lèi)昂貴，而且具有特殊的設計要求。圖1為AB類(lèi)放大器與D類(lèi)放大器在一定輸出功率范圍內的效率對比。

　　值得注意的是，這兩種方法并非互不相容。實(shí)際上，創(chuàng )新的工程設計通常都使用混合解決方案，車(chē)載音頻也不例外。設計工程師通常會(huì )根據以下關(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

　　音頻系統的成本

　　音頻性能

　　消除其他電子和機電設備的干擾 

　　D類(lèi)和AB類(lèi)放大器對比

　　AB類(lèi)放大器因其眾多優(yōu)點(diǎn)，成為目前汽車(chē)音頻應用領(lǐng)域的標準放大器。相關(guān)技術(shù)也較為成熟，相對而言易于開(kāi)發(fā)各種應用，且無(wú)需調整。AB類(lèi)放大器與D類(lèi)放大器的早期產(chǎn)品相比，AB類(lèi)放大器具有不產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的天然優(yōu)勢。

　　但AB類(lèi)放大器50％的工作效率導致功率和散熱相對較高，這一點(diǎn)在音頻系統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(lèi)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(lèi)放大器工作效率達90％，可以設計數字連接，以便與處理音頻的數字信號處理器(DSP)連接，從而為DSP節省了集成模擬／數字信號轉換器的成本。D類(lèi)放大器還可以集成到60 V配電干線(xiàn)中。

　　六通道案例

　　現在，大多數量產(chǎn)轎車(chē)都配備四個(gè)音頻通道，連接八個(gè)揚聲器。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整會(huì )在車(chē)門(mén)附近形成回聲。

　　增加兩個(gè)通道可以解決許多問(wèn)題。首先，這樣可以讓功率巨大的低音揚聲器單獨驅動(dòng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)新增通道，將聲音傳送至汽車(chē)前座下的揚聲器，消除車(chē)門(mén)回聲。還可以實(shí)現更高的聲音保真度，因為所有揚聲器都不必在整個(gè)頻率范圍內運行。四通道與六通道音頻結構比較見(jiàn)圖2。

　　但每位汽車(chē)音頻設計人員都會(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?xún)?。解決該問(wèn)題的傳統方法是將部分揚聲器線(xiàn)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 )使系統在整體上更加復雜，同時(shí)提高成本。

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

　　使用六個(gè)AB類(lèi)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(gè)D類(lèi)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中僅使用兩個(gè)D類(lèi)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(lèi)放大器的成本可能會(huì )使方案B成為最適合中端汽車(chē)的選擇。但展望未來(lái)，尤其是未來(lái)的“頂級音頻系統”市場(chǎng)(以及更高電壓電軌市場(chǎng))，D類(lèi)放大器很有可能擴展其市場(chǎng)滲透率。

　　頂級汽車(chē)的音頻系統可能會(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。如果系統不采用D類(lèi)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)。

　　在不斷權衡成本和音質(zhì)目標的過(guò)程中，設計工程師可以研究出AB類(lèi)和D類(lèi)放大器的多種組合。D類(lèi)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用場(chǎng)合。這些應用場(chǎng)合包括高于90W的系統。具體應用類(lèi)別可分為以下四種:

　　頂級音頻系統：由AB類(lèi)和D類(lèi)放大器混合驅動(dòng)8～22個(gè)通道，輸出功率大于每通道28W。

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

　　中端音頻系統，針對成本進(jìn)行優(yōu)化：由AB類(lèi)和D類(lèi)放大器混合驅動(dòng)的4～6個(gè)通道。

　　初級音頻系統：由AB類(lèi)放大器驅動(dòng)的2～4個(gè)通道，輸出功率低于每通道28W。

　　在汽車(chē)音頻系統中優(yōu)化D類(lèi)放大器

　　車(chē)載環(huán)境對于D類(lèi)放大器的應用而言極具挑戰。舉例來(lái)說(shuō)，D類(lèi)放大器的輸出電壓受電源電壓的影響，而汽車(chē)中的供應電壓并不恒定。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)現這一抑制效果。

　　如前所述，開(kāi)關(guān)引起的EMI干擾是D類(lèi)放大器最重要的問(wèn)題之一。在設計層而，通過(guò)相位交錯、頻率跳動(dòng)和AD／BD調制，可以減輕EMI干擾。恩智浦進(jìn)一步設計開(kāi)發(fā)出一項專(zhuān)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(kāi)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(xiàn)代表電流尖峰。

　　顯而易見(jiàn)，解決EMI干擾的方法就是消除空載時(shí)間。恩智浦的半導體制造專(zhuān)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(guò)氧化物實(shí)現絕緣。當輸出低于地線(xiàn)時(shí)，設備的基片不會(huì )積聚電荷，減少了逆回復時(shí)間，且與其他通道沒(méi)有交叉干擾。

　　恩智浦在D類(lèi)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)生可能破壞設備的閂鎖效應。

　　總結

　　D類(lèi)放大器日益受到汽車(chē)音頻應用的青睞。也許到2015年時(shí)，它們會(huì )占據300％的汽車(chē)音頻放大器市場(chǎng)。恩智浦積累了大量的D類(lèi)放大器知識。這些消費領(lǐng)域的經(jīng)驗隨著(zhù)D類(lèi)放大器逐漸進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，將會(huì )帶來(lái)引領(lǐng)潮流的產(chǎn)品與應用。