隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)迅速發(fā)展，車(chē)載音頻系統也在不斷升級，以滿(mǎn)足消費者對音頻體驗的更高要求。例如，支持多種外加音源(諸如DVD、SD卡、藍牙、數字廣播等)；電臺接收效果更好；音效處理更加豐富，甚至要達到Dolby 5.1等家用音響的效果。(圖1)。同時(shí)，汽車(chē)廠(chǎng)商和設計公司又希望能夠縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加速上市。所有這些都對車(chē)載功放產(chǎn)品提出更高要求。
車(chē)載功放是車(chē)載娛樂(lè )系統中不可缺少的一個(gè)功能模塊。其作用是將音頻輸入的信號進(jìn)行選擇與入處理，進(jìn)行功率放大，使電信號具有推動(dòng)音箱的能力。車(chē)載音頻系統對于功放多通道，高效率，低失真，智能化的要求，使功放模塊設計人員在設計功放的時(shí)候要面臨如下的技術(shù)挑戰：如何在有限的散熱空間內，實(shí)現大功率，多通道輸出；如何監控功放芯片本身的工作狀態(tài)，保證功放芯片在過(guò)溫，過(guò)壓，過(guò)流情況下不受損害；選擇怎樣的濾波電路，使功放模塊通過(guò)EMI檢測，不干擾其他模塊工作，尤其是不對收音模塊產(chǎn)生干擾。
車(chē)載功放技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢
功放按工作原理分為A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)、D類(lèi)，下面先簡(jiǎn)要分析這幾類(lèi)功放在車(chē)載音頻系統應用中的優(yōu)缺點(diǎn)。
A類(lèi)是一種完全的線(xiàn)性放大器。在A(yíng)類(lèi)功率放大器工作時(shí)，晶體管的正負通道不論有或沒(méi)有信號都處于常開(kāi)狀態(tài)，這就意味著(zhù)更多的功率消耗為熱量。A類(lèi)功率放大器的效率非常低，通常只有20-30%，因此在汽車(chē)音響的應用中比較少見(jiàn)，像意大利的Sinfoni高級系列才有這類(lèi)功率放大器。但是A類(lèi)功放也有顯著(zhù)優(yōu)勢，例如失真最�。o(wú)交越失真和開(kāi)關(guān)失真）、保真度高、聲音表現很好，所以深受音響發(fā)燒友青睞。
B類(lèi)也被稱(chēng)為線(xiàn)性放大器，但是它的工作原理與A類(lèi)功放完全不同。B類(lèi)功放在工作時(shí)，晶體管的正負通道通常是處于關(guān)閉狀態(tài)，除非有信號輸入。而且兩個(gè)通道不會(huì )同時(shí)工作，因此在沒(méi)有信號的部分，完全沒(méi)有功率損失。但是在正負通道開(kāi)啟關(guān)閉的時(shí)候，常常會(huì )產(chǎn)生交越失真，特別是在低電平的情況下，所以B類(lèi)功放不是真正意義上的高保真功率放大器。但是由于B類(lèi)功放效率比較高，因而在早期許多汽車(chē)音響系統還是采用這類(lèi)產(chǎn)品。
AB類(lèi)是兼具A類(lèi)與B類(lèi)功放優(yōu)勢的一種設計。當沒(méi)有信號或信號非常小時(shí)，晶體管的正負通道都常開(kāi)，這時(shí)功率有所損耗，但沒(méi)有A類(lèi)嚴重。當信號是正相時(shí)，負相通道在信號變強前還是常開(kāi)的，但信號轉強則負通道關(guān)閉。當信號是負相時(shí)，正負通道的工作剛好相反。AB類(lèi)功放的主要缺陷在于會(huì )產(chǎn)生交越失真，但是在效率比以及保真度方面，還是優(yōu)于A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)功放，因而AB類(lèi)功放成為目前汽車(chē)音響中應用最為廣泛的設計方案。
D類(lèi)放大器與上述A，B或AB類(lèi)放大器不同，其工作原理基于開(kāi)關(guān)晶體管，可在極短的時(shí)間內完全導通或完全截止。兩只晶體管不會(huì )在同一時(shí)刻導通，因此產(chǎn)生的熱量很少。這種類(lèi)型的放大器效率極高(90%左右)，在理想情況下可達100%，而相比之下AB類(lèi)放大器僅能達到78.5%。不過(guò)另一方面，開(kāi)關(guān)工作模式也增加了輸出信號的失真。
隨著(zhù)車(chē)載娛樂(lè )系統的發(fā)展，對功放部分的要求也越來(lái)越高：大功率、高效率（低散熱）、多通道、高保真、智能診斷及保護功能。傳統的AB 類(lèi)功放已經(jīng)很難滿(mǎn)足這些要求，所以功放的發(fā)展趨勢是在D類(lèi)功放的基礎上，改善EMC性能、降低失真度，并支持數字音源輸入。
新興的全數字音頻放大器對數字音源輸出的音頻信號進(jìn)行直接處理和放大，可以方便地實(shí)現高保真、高效率和低成本的音頻放大器，因而可以為數字音源、音頻處理和功率放大的整合設計提供了完整的端到端數字解決方案。
典型方案介紹
針對不同的車(chē)載應用需求，恩智浦開(kāi)發(fā)出多種車(chē)載功率放大器。產(chǎn)品系列豐富、功能完備、性能突出。例如，從單通道、雙通道到四通道，能滿(mǎn)足驅動(dòng)多路負載的需要；功率范圍從1W到130W，可滿(mǎn)足各種負載的驅動(dòng)要求；智能診斷及保護機制，既能給功放芯片提供過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、交叉短路及對地、對電源短路的保護機制，又能把功放工作狀態(tài)通過(guò)診斷管腳或者I2C通信反饋到MCU。
IPAS方案
集成功放和穩壓器(IPAS)方案實(shí)現了在一顆IC上集成高功率放大器和多路電壓輸出調節器，能夠有效縮短產(chǎn)品設計周期、降低系統成本。例如，恩智浦的TDA8588是一個(gè)由I2C總線(xiàn)控制的多路電壓輸出調節器和四通道ＢＴＬ音頻放大器（４×５０Ｗ）。通過(guò)I2C總線(xiàn)，能讀出每個(gè)放大器通道的工作狀態(tài)。由于能輸出大功率，并提供穩定的電壓輸出，對于車(chē)載娛樂(lè )系統應用來(lái)說(shuō)，TDA8588是一個(gè)完整、經(jīng)濟的解決方案。
低功耗、高效D類(lèi)功放方案
現在的車(chē)載娛樂(lè )系統擁有越來(lái)越多的揚聲器，更多的通道意味著(zhù)更大的功耗和更高的溫度。但車(chē)載娛樂(lè )模塊的體積有限，不能支持更大的散熱片，所以需要使用更高效的D類(lèi)功放。
為此，恩智浦開(kāi)發(fā)出低功耗高效車(chē)載D類(lèi)功放TDF859X系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品基于絕緣體硅片（SOI）處理功能和具有專(zhuān)利技術(shù)的零死區時(shí)間技術(shù)，具備卓越的EMC性能以及智能診斷及保護功能。
其中TDF8599TH是具有診斷特征的I2C總線(xiàn)控制雙通道Ｄ類(lèi)功放。TDF8599TH工作模式分為I2C和NON-I2C兩種模式，可以通過(guò)I2C總線(xiàn)檢測負載工作狀態(tài)和故障診斷。
為了滿(mǎn)足車(chē)載娛樂(lè )多路揚聲器的需要，TDF8599TH能實(shí)現多片協(xié)同工作，實(shí)現多路輸出。(圖2)一片TDF8599TH作為主芯片，其他作為從芯片，并共享主芯片的時(shí)鐘。恩智浦提供完整的TDF8599TH應用參考設計，在這里我們簡(jiǎn)要說(shuō)明參考設計各部分的注意事項。
圖2 TDF8599的主從工作模式。
圖3中，通過(guò)推薦的電感濾波器，在Vp1，Vp2的電源輸入處消除噪聲。音頻輸入部分無(wú)特殊要求，只要根據參考設計中推薦數值進(jìn)行匹配。ADS管腳是控制硬件地址選擇，通過(guò)不通的電阻值來(lái)對應不同的I2C地址，在NON-I2C 模式下可以直接接地。MOD管腳是控制功放不同的輸出模式，在I2C控制模式下有立體聲模式和平行模式，在NON-I2C模式下有AD或BD模式，并控制從芯片是否有90度相移。CLIP和DIAG管腳是失真檢測和診斷輸出，通過(guò)5V上拉，在高電平輸出情況下表示工作正常，低電平表示有失真或故障。在音頻輸出部分，通過(guò)兩級濾波，可實(shí)現較好的EMC性能。
圖3 TDF8599TH 芯片結構圖。
本文小結
車(chē)載音頻領(lǐng)域的技術(shù)革新持續發(fā)展，數字廣播、后座娛樂(lè )、無(wú)線(xiàn)連接等新功能的涌現，要求車(chē)載功放產(chǎn)品相應加速更新?lián)Q代，從傳統AB類(lèi)功放到D類(lèi)功放，以及下一代數字功放，車(chē)載功放產(chǎn)品在輸出功率、智能控制及診斷功能等方面不斷完善，以滿(mǎn)足現有及未來(lái)市場(chǎng)需求。 |
