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應用于汽車(chē)的D類(lèi)放大器設計方案

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2014/7/19 10:26:00

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隨著(zhù)高傳真音響系統體積越來(lái)越大、功耗越來(lái)越高，對D類(lèi)音頻放大器進(jìn)行重新設計，將可滿(mǎn)足汽車(chē)音響設計特殊挑戰。對車(chē)用資訊和資訊娛樂(lè )系統而言，其功能和子系統的不斷增多，對車(chē)前部和車(chē)身的音響功率預算要求已達極限。汽車(chē)音響設計師在尋找高性能、低成本方案。對許多應用來(lái)說(shuō)，采用超高效率的D類(lèi)音頻放大器可能是最佳選擇。
特別是對高階汽車(chē)來(lái)說(shuō)，多聲道、多揚聲器系統已成為標準配備。汽車(chē)音響工程師所面臨的設計挑戰包括：保持甚至超越顧客對極高音響放大器水準及超低失真的期待；以及為因應向雙甚至三聲道揚聲器系統和重低音轉變的趨勢，需要更高功率的設計。
與家庭娛樂(lè )系統的音響放大器不同，設計工程師無(wú)法簡(jiǎn)單地加大功率，同時(shí)找到一種可控制音頻品質(zhì)以滿(mǎn)足這些目標的方法。位於駕駛儀表板之下的空間非常有限，也不允許大量發(fā)熱。另外，車(chē)內的電源電壓也受到限制，且常常會(huì )有因諸如電壓跳變和來(lái)自車(chē)內其他電子和機械系統干擾導致的電壓異常。
每一種新車(chē)型都會(huì )在音響設計中加入新的子系統，例如：視訊甚或導航和全球定位系統GPS）等。如此一來(lái)，音響系統就面臨著(zhù)對更多揚聲器、更多聲道、更高功率的要求，通常情況下，留給音響驅動(dòng)系統的空間也就更局促。
對音響功率的要求一直在增加。有兩種基本方式可滿(mǎn)足這些需求。傳統方式是增加更多的由標準音響放大器驅動(dòng)的聲道。在每一放大器驅動(dòng)一個(gè)揚聲器的主動(dòng)系統中即采用該方案。但也就是因為聲道數的增加，這種方式變得愈加復雜，且越來(lái)越難以為繼。
另一種方法是透過(guò)減少揚聲器的阻抗或利用DC/DC變換器增加電源電壓來(lái)增加功率輸出。采用該方法，單一放大器可驅動(dòng)兩或三個(gè)揚聲器，且仍能得到高傳真的音頻輸出。
雖然第二個(gè)方案較不復雜，但兩種方案仍有共通點(diǎn)：它們都增加了耗散功耗。因此，為滿(mǎn)足功耗指標，采用更高效的系統成為具體方案的關(guān)鍵。
對更高效放大器的需求，己經(jīng)使對D類(lèi)音頻放大器的討論成為音響設計師之間的熱門(mén)話(huà)題。
D類(lèi)音頻的效率可高達95%，而AB類(lèi)音頻放大器的效率只有約50%；因此，D類(lèi)音頻放大器在提供優(yōu)異音質(zhì)的同時(shí)還可掌控功耗。D類(lèi)音頻放大器良好的功率效率意味著(zhù)它們只需更小的散熱器，為狹窄的車(chē)前單元節省空間，以安放更多的電子系統。但D類(lèi)比AB 類(lèi)放大器要貴得多，并需要專(zhuān)門(mén)的設計考慮。
圖1顯示的是在輸出功率范圍內，AB類(lèi)放大器（圖1a）和D類(lèi)音頻放大器（圖1b）的相對效率。

在更寬的范圍內，D類(lèi)音頻放大器具有更高效率

圖1 在更寬的范圍內，D類(lèi)音頻放大器具有更高效率
要記住的是：這兩種方法并非水火不容。實(shí)際上，創(chuàng )新的工程設計經(jīng)常采用混合方案。汽車(chē)音響也不例外。設計工程師將根據以下幾個(gè)關(guān)鍵考慮來(lái)決策：
車(chē)前單元的大小、功率要求和散熱能力
音響系統的成本

音響性能
如何降低來(lái)自其他電子和機電設備的干擾
1 放大器的技術(shù)基礎
為充分了解D類(lèi)音頻放大器，我們首先簡(jiǎn)單介紹該放大器的技術(shù)基礎。
A類(lèi)放大器的輸出元件在整個(gè)周期都持續導通。換言之，偏置電流一直流過(guò)輸出元件。A類(lèi)放大器具有最好的線(xiàn)性輸出、失真最小。但缺點(diǎn)是效率太低，只有約20%。
B類(lèi)放大器的輸出元件分別在正弦曲線(xiàn)的半個(gè)周期（一個(gè)在正半、另一個(gè)在負半周期）導通。若沒(méi)有輸入訊號，則輸出元件沒(méi)有電流流過(guò)。在最大輸出功率，B類(lèi)放大器的效率最高，為78.5%。但一個(gè)輸出元件關(guān)閉和另一個(gè)輸出元件導通間的間隔會(huì )在交叉點(diǎn)產(chǎn)生線(xiàn)性問(wèn)題。
AB類(lèi)放大器是上述兩種類(lèi)型的組合。兩個(gè)元件在靠近交叉點(diǎn)（盡管很接近）處同時(shí)導通。每個(gè)元件的導通時(shí)間長(cháng)於半個(gè)但短於一個(gè)周期，克服了B類(lèi)放大器設計非線(xiàn)性問(wèn)題。AB類(lèi)放大器效率約為50%。它是最常用的一種功率放大器。
D類(lèi)音頻放大器是開(kāi)關(guān)和脈寬調變（PWM）放大器。因開(kāi)關(guān)不是全開(kāi)就是全關(guān)，所以大幅降低了輸出元件上的損耗。據說(shuō)其效率可達90~95%。利用音頻訊號調變可驅動(dòng)輸出元件的PWM載波訊號。但因D類(lèi)音頻放大器是開(kāi)關(guān)型，所以它會(huì )產(chǎn)生開(kāi)關(guān)雜訊。其最末級是一個(gè)濾除高頻PWM載頻的低通濾波器。

2 D類(lèi)和AB類(lèi)放大器比較
AB類(lèi)放大器是目前汽車(chē)音響應用中的標準。該技術(shù)非常成熟，所以，采用其開(kāi)發(fā)產(chǎn)品相對較容易，且不需要調整和重頭再來(lái)。多家IC制造商間的激烈競爭也使AB類(lèi)放大器價(jià)格趨於合理。由於AB類(lèi)放大器只需外接幾個(gè)元件，進(jìn)一步降低了原材料成本。另外，當與最初的D類(lèi)音頻放大器相較時(shí)，AB類(lèi)放大器具有不產(chǎn)生電磁干擾（EMI）的優(yōu)勢。
AB類(lèi)放大器的缺點(diǎn)包括相對較高的功耗，以及由50%工作效率引起的發(fā)熱，但僅在音響系統變得更復雜時(shí)，這些缺點(diǎn)才會(huì )成為嚴重問(wèn)題。不過(guò)，在車(chē)前單元的應用中，AB類(lèi)放大器又引發(fā)了一個(gè)新問(wèn)題：源於不斷增加的功耗，當電源電壓高於18V時(shí)，無(wú)法用AB 類(lèi)放大器產(chǎn)生更高輸出功率。
除了90%的工作效率外，D類(lèi)音頻放大器還可透過(guò)與處理音頻之數位訊號處理器（DSP）的互連來(lái)進(jìn) 行設計，此舉節省了在DSP內整合一個(gè)類(lèi)比/數位轉換器的成本（AB類(lèi)放大器有一個(gè)基本的類(lèi)比連接；但將D類(lèi)音頻放大器稱(chēng)為‘數位’放大并不恰當。）最後，D類(lèi)音頻放大器可整合到60V的電源線(xiàn)路之中。

3 六聲道設計范例
目前，許多量產(chǎn)型汽車(chē)具有4聲道及8個(gè)喇叭。另外，放大器必須能支援整個(gè)音頻譜域，且低音和中音（mid-tone）喇叭通常共用同一聲道和放大器。對這種4聲道配置的一味遷就將可能在車(chē)門(mén)產(chǎn)生共振（見(jiàn)圖2）。

圖2 4聲道與6聲道音響架構比較
增加兩個(gè)聲道將解決幾個(gè)問(wèn)題。首先，它允許用兩個(gè)新增聲道獨立地驅動(dòng)大功率的低音喇叭，以排除車(chē)門(mén)共振。另外，由於全部喇叭都不必工作在整個(gè)頻率范圍，還有可能實(shí)現高傳真音質(zhì)。
但如同每位汽車(chē)音響設計師所說(shuō)的，空間和發(fā)熱的限制使車(chē)前單元功耗不得高於20W。規避該問(wèn)題的傳統作法是用安置在車(chē)身上的外接放大器單元驅動(dòng)某些喇叭。該方案雖然可行，但也增加了整體系統復雜性和成本。
明智地使用D類(lèi)音頻放大器為解決該問(wèn)題提供了一個(gè)具成本效益的答案。依正常放大器值計算，一款效率55%的AB類(lèi)放大器功耗是4.5 W，而一款效率94%的D類(lèi)音頻放大器功耗是0.6 W。
采用6個(gè)AB類(lèi)放大器聲道將總共產(chǎn)生27W功耗，比車(chē)前單元一般認為可承受的功耗高7W（見(jiàn)圖3，情況A）。但若將AB和D類(lèi)音頻放大器整合在一起，則即使僅采用兩個(gè)D類(lèi)音頻放大器（最可能用於低音喇叭驅動(dòng)），也將滿(mǎn)足功耗預算。圖3的最下行顯示了 20W與該特定配置的整體功耗區別。
僅使用兩個(gè)D類(lèi)音訊放大器，就可使一個(gè)6聲道系統具有理想的性?xún)r(jià)比，適用於車(chē)前單元

僅使用兩個(gè)D類(lèi)音訊放大器，就可使一個(gè)6聲道系統具有理想的性?xún)r(jià)比，適用於車(chē)前單元

圖3 僅使用兩個(gè)D類(lèi)音頻放大器，就可使一個(gè)6聲道系統具有理想的性?xún)r(jià)比，適用於車(chē)前單元
D類(lèi)音頻放大器的成本大概會(huì )使情況B最可能成為中階車(chē)款的選擇。但著(zhù)眼未來(lái)，特別是‘優(yōu)質(zhì)音響系統’市場(chǎng)（更高電源等級）的情況，D類(lèi)音頻放大器有可能擴大其市場(chǎng)占有率。
高階車(chē)音響系統可能最少支援8個(gè)聲道、最多達22個(gè)聲道，其中許多聲道會(huì )放在車(chē)身單元。若不在系統中采用D類(lèi)音頻放大器，則支援多個(gè)聲道可能幾乎無(wú)法實(shí)現。
在對成本和品質(zhì)目標間不懈的權衡過(guò)程中，設計工程師會(huì )找到AB類(lèi)和D類(lèi)音頻放大器的許多種組合。D 類(lèi)音頻放大器最初會(huì )在低功耗至關(guān)重要以及（有些意外）需要很高功率輸出的應用中找到用武之地。這些應用包括功率大於90W的系統，其中立體聲D類(lèi)音頻放大器是最佳選擇。但其應用可歸類(lèi)為4種系統：
高階：由AB和D類(lèi)音頻放大器聯(lián)合驅動(dòng)的8到22聲道系統、每聲道功率大於28W。
對功耗進(jìn)行最佳化設計的中階音響系統：由純D類(lèi)音頻放大器驅動(dòng)的4到6聲道系統、每聲道功率大於25W。
對成本進(jìn)行最佳化設計的中階音響系統：由AB和D類(lèi)音頻放大器聯(lián)合驅動(dòng)的4到6聲道系統。
基本音響系統：全由AB類(lèi)放大器驅動(dòng)的2到4聲道系統、每聲道功率小於28W。

4 汽車(chē)應用的D類(lèi)放大器
汽車(chē)環(huán)境對D類(lèi)音頻放大器應用提出了挑戰。為設計一款出眾的產(chǎn)品，半導體供應商必須提供其知識、技巧及關(guān)於D類(lèi)音頻放大器和汽車(chē)應用的豐富經(jīng)驗。
對啟動(dòng)器來(lái)說(shuō)，由於汽車(chē)設計的需求，I2C控制已被納入其中。此外，挑戰也正變得益發(fā)困難。例如，D類(lèi)音頻放大器的輸出電壓受電源電壓的影響，且車(chē)內的電源電壓是不穩定的。為抑制電源紋波電壓，已采取了若干措施。抑制電壓波動(dòng)的最好方法是采用負反饋環(huán)。一個(gè)二階反饋環(huán)可提供優(yōu)異的紋波抑制。
由開(kāi)關(guān)導致的EMI是D類(lèi)音頻放大器最嚴重的問(wèn)題之一，且非常難以解決。在設計層面，可透過(guò)相位混合（phase staggering）、跳頻和AD/BD調變來(lái)減輕EMI。
提高EMI的突波電流是由放大器開(kāi)關(guān)時(shí)在其內部電晶體間導入的死區時(shí)間產(chǎn)生的。在死區時(shí)間，電流在體二極體上積聚，且該電荷作為電流突波被泄放（圖4所示，紅線(xiàn)指示該突波）。

圖4 死區時(shí)間導入的電流突波產(chǎn)生EMI
消除死區時(shí)間是個(gè)明顯的解決方案。為達到此目標，恩智浦訴諸了其半導體制造專(zhuān)長(cháng)。由於絕緣層上覆矽（SOI）的全部元件被氧化物絕緣，所以SOI是理想技術(shù)。當輸出電壓低於地電壓時(shí)，元件基層沒(méi)有電荷積聚，縮短了反向恢復時(shí)間，且與其他聲道之間沒(méi)有串擾。

5 小結
D類(lèi)音頻放大器將在汽車(chē)音響應用中擴大其市場(chǎng)占有率。到2015年，它將占汽車(chē)放大器市場(chǎng)的30%。隨著(zhù)D類(lèi)音頻放大器進(jìn)入汽車(chē)應用，NXP不僅將與該趨勢齊頭并進(jìn)，還將引領(lǐng)該潮流的走向。