应用于汽车的D类放大器设计方案

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随着高传真音响系统体积越来越大、功耗越来越高，对D类音频放大器进行重新设计，将可满足汽车音响 设计特殊挑战。对车用资讯和资讯娱乐系统而言，其功能和子系统的不断增多，对车前部和车身的音响功率预算要求已达极限。汽车音响设计师在寻找高性能、低成 本方案。对许多应用来说，采用超高效率的D类音频放大器可能是最佳选择。
           
          特别是对高阶汽车来说，多声道、多扬声器系统已成为标准配备。汽车音响工程师所面临的设计挑战包括：保持甚至超越顾客对极高音响放大器水准及超低失真的期待；以及为因应向双甚至三声道扬声器系统和重低音转变的趋势，需要更高功率的设计。
           
          与家庭娱乐系统的音响放大器不同，设计工程师无法简单地加大功率，同时找到一种可控制音频品质以满足这些目标的方法。位於驾驶仪表板之下的空间非常有限，也不允许大量发热。另外，车内的电源电压也受到限制，且常常会有因诸如电压跳变和来自车内其他电子和机械系统干扰导致的电压异常。
           
          每一种新车型都会在音响设计中加入新的子系统，例如：视讯甚或导航和全球定位系统GPS）等。如此一来，音响系统就面临着对更多扬声器、更多声道、更高功率的要求，通常情况下，留给音响驱动系统的空间也就更局促。
           
          对音响功率的要求一直在增加。有两种基本方式可满足这些需求。传统方式是增加更多的由标准音响放大器驱动的声道。在每一放大器驱动一个扬声器的主动系统中即采用该方案。但也就是因为声道数的增加，这种方式变得愈加复杂，且越来越难以为继。
           
          另一种方法是透过减少扬声器的阻抗或利用DC/DC变换器增加电源电压来增加功率输出。采用该方法，单一放大器可驱动两或三个扬声器，且仍能得到高传真的音频输出。
           
          虽然第二个方案较不复杂，但两种方案仍有共通点：它们都增加了耗散功耗。因此，为满足功耗指标，采用更高效的系统成为具体方案的关键。
           
          对更高效放大器的需求，己经使对D类音频放大器的讨论成为音响设计师之间的热门话题。
           
          D类音频的效率可高达95%，而AB类音频放大器的效率只有约50%；因此，D类音频放大器在提供 优异音质的同时还可掌控功耗。D类音频放大器良好的功率效率意味着它们只需更小的散热器，为狭窄的车前单元节省空间，以安放更多的电子系统。但D类比AB 类放大器要贵得多，并需要专门的设计考虑。
           
          图1显示的是在输出功率范围内，AB类放大器（图1a）和D类音频放大器（图1b）的相对效率。
           

       

        图1 在更宽的范围内，D类音频放大器具有更高效率

           
          要记住的是：这两种方法并非水火不容。实际上，创新的工程设计经常采用混合方案。汽车音响也不例外。设计工程师将根据以下几个关键考虑来决策：
           

       

•                 车前单元的大小、功率要求和散热能力        
  
•                 音响系统的成本        
  
•                 音响性能        
  
•                 如何降低来自其他电子和机电设备的干扰
  

        1  放大器的技术基础
          为充分了解D类音频放大器，我们首先简单介绍该放大器的技术基础。
           
          A类放大器的输出元件在整个周期都持续导通。换言之，偏置电流一直流过输出元件。A类放大器具有最好的线性输出、失真最小。但缺点是效率太低，只有约20%。
           
          B类放大器的输出元件分别在正弦曲线的半个周期（一个在正半、另一个在负半周期）导通。若没有输入讯号，则输出元件没有电流流过。在最大输出功率，B类放大器的效率最高，为78.5%。但一个输出元件关闭和另一个输出元件导通间的间隔会在交叉点产生线性问题。
           
          AB类放大器是上述两种类型的组合。两个元件在靠近交叉点（尽管很接近）处同时导通。每个元件的导通时间长於半个但短於一个周期，克服了B类放大器设计非线性问题。AB类放大器效率约为50%。它是最常用的一种功率放大器。
           
          D类音频放大器是开关和脉宽调变（PWM）放大器。因开关不是全开就是全关，所以大幅降低了输出元件上的损耗。据说其效率可达90~95%。利用音频讯号调变可驱动输出元件的PWM载波讯号。但因D类音频放大器是开关型，所以它会产生开关杂讯。其最末级是一个滤除高频PWM载频的低通滤波器。
           
          2  D类和AB类放大器比较
          AB类放大器是目前汽车音响应用中的标准。该技术非常成熟，所以，采用其开发产品相对较容易，且不 需要调整和重头再来。多家IC制造商间的激烈竞争也使AB类放大器价格趋於合理。由於AB类放大器只需外接几个元件，进一步降低了原材料成本。另外，当与 最初的D类音频放大器相较时，AB类放大器具有不产生电磁干扰（EMI）的优势。
           
          AB类放大器的缺点包括相对较高的功耗，以及由50%工作效率引起的发热，但仅在音响系统变得更复 杂时，这些缺点才会成为严重问题。不过，在车前单元的应用中，AB类放大器又引发了一个新问题：源於不断增加的功耗，当电源电压高於18V时，无法用AB 类放大器产生更高输出功率。
           
          除了90%的工作效率外，D类音频放大器还可透过与处理音频之数位讯号处理器（DSP）的互连来进 行设计，此举节省了在DSP内整合一个类比/数位转换器的成本（AB类放大器有一个基本的类比连接；但将D类音频放大器称为‘数位’放大并不恰当。）最 後，D类音频放大器可整合到60V的电源线路之中。
           
          3  六声道设计范例
          目前，许多量产型汽车具有4声道及8个喇叭。另外，放大器必须能支援整个音频谱域，且低音和中音（mid-tone）喇叭通常共用同一声道和放大器。对这种4声道配置的一味迁就将可能在车门产生共振（见图2）。
           

       

        图2 4声道与6声道音响架构比较

           
          增加两个声道将解决几个问题。首先，它允许用两个新增声道独立地驱动大功率的低音喇叭，以排除车门共振。另外，由於全部喇叭都不必工作在整个频率范围，还有可能实现高传真音质。
           
          但如同每位汽车音响设计师所说的，空间和发热的限制使车前单元功耗不得高於20W。规避该问题的传统作法是用安置在车身上的外接放大器单元驱动某些喇叭。该方案虽然可行，但也增加了整体系统复杂性和成本。
           
          明智地使用D类音频放大器为解决该问题提供了一个具成本效益的答案。依正常放大器值计算，一款效率55%的AB类放大器功耗是4.5 W，而一款效率94%的D类音频放大器功耗是0.6 W。
           
          采用6个AB类放大器声道将总共产生27W功耗，比车前单元一般认为可承受的功耗高7W（见图3， 情况A）。但若将AB和D类音频放大器整合在一起，则即使仅采用两个D类音频放大器（最可能用於低音喇叭驱动），也将满足功耗预算。图3的最下行显示了 20W与该特定配置的整体功耗区别。
           

       

        图3 仅使用两个D类音频放大器，就可使一个6声道系统具有理想的性价比，适用於车前单元

        D类音频放大器的成本大概会使情况B最可能成为中阶车款的选择。但着眼未来，特别是‘优质音响系统’市场（更高电源等级）的情况，D类音频放大器有可能扩大其市场占有率。
           
          高阶车音响系统可能最少支援8个声道、最多达22个声道，其中许多声道会放在车身单元。若不在系统中采用D类音频放大器，则支援多个声道可能几乎无法实现。
           
          在对成本和品质目标间不懈的权衡过程中，设计工程师会找到AB类和D类音频放大器的许多种组合。D 类音频放大器最初会在低功耗至关重要以及（有些意外）需要很高功率输出的应用中找到用武之地。这些应用包括功率大於90W的系统，其中立体声D类音频放大 器是最佳选择。但其应用可归类为4种系统：
           

       

•                 高阶：由AB和D类音频放大器联合驱动的8到22声道系统、每声道功率大於28W。        
  
•                 对功耗进行最佳化设计的中阶音响系统：由纯D类音频放大器驱动的4到6声道系统、每声道功率大於25W。        
  
•                 对成本进行最佳化设计的中阶音响系统：由AB和D类音频放大器联合驱动的4到6声道系统。        
  
•                 基本音响系统：全由AB类放大器驱动的2到4声道系统、每声道功率小於28W。
  

           
          4  汽车应用的D类放大器
          汽车环境对D类音频放大器应用提出了挑战。为设计一款出众的产品，半导体供应商必须提供其知识、技巧及关於D类音频放大器和汽车应用的丰富经验。
           
          对启动器来说，由於汽车设计的需求，I2C控制已被纳入其中。此外，挑战也正变得益发困难。例 如，D类音频放大器的输出电压受电源电压的影响，且车内的电源电压是不稳定的。为抑制电源纹波电压，已采取了若干措施。抑制电压波动的最好方法是采用负反 馈环。一个二阶反馈环可提供优异的纹波抑制。
           
          由开关导致的EMI是D类音频放大器最严重的问题之一，且非常难以解决。在设计层面，可透过相位混合（phase staggering）、跳频和AD/BD调变来减轻EMI。
           
          提高EMI的突波电流是由放大器开关时在其内部电晶体间导入的死区时间产生的。在死区时间，电流在体二极体上积聚，且该电荷作为电流突波被泄放（图4所示，红线指示该突波）。
           

       

        图4 死区时间导入的电流突波产生EMI

           
          消除死区时间是个明显的解决方案。为达到此目标，恩智浦诉诸了其半导体制造专长。由於绝缘层上覆矽（SOI）的全部元件被氧化物绝缘，所以SOI是理想技术。当输出电压低於地电压时，元件基层没有电荷积聚，缩短了反向恢复时间，且与其他声道之间没有串扰。
           
          5 小结
          D类音频放大器将在汽车音响应用中扩大其市场占有率。到2015年，它将占汽车放大器市场的30%。随着D类音频放大器进入汽车应用，NXP不仅将与该趋势齐头并进，还将引领该潮流的走向。