隨著(zhù)汽車(chē)娛樂(lè )和信息娛樂(lè )系統增加更多功能和子系統，主機和中繼單元的音頻功率預算被推到了極限。汽車(chē)音頻設計人員正在尋找一種高性能、高性?xún)r(jià)比的解決方案。對于許多人來(lái)說(shuō)，明智地使用超高效 D 類(lèi)放大器正在成為選擇。
特別是，多聲道和多揚聲器系統在高端汽車(chē)中越來(lái)越普遍。汽車(chē)工程師面臨的設計挑戰是保持——甚至提高——客戶(hù)一直期望的高音頻放大水平和低失真。
需要更高功率的一個(gè)具體實(shí)例是大功率、兩路甚至三路揚聲器系統和低音炮的趨勢。
與家庭娛樂(lè )系統中的音頻放大器不同，設計工程師不能簡(jiǎn)單地提高功率并同時(shí)找到控制音頻質(zhì)量的巧妙方法來(lái)實(shí)現這些目標。儀表板下方主機的散熱和空間限制相當嚴格。
電源電壓也受到限制，并且經(jīng)常受到諸如電壓尖峰和來(lái)自汽車(chē)中其他電子和機械系統的干擾等事件的干擾。
每個(gè)新車(chē)型年都會(huì )將新的子系統——例如視頻或什至導航和 GPS——引入音頻設計空間：更多的揚聲器、更多的通道、更高的功率要求和通常更少的空間來(lái)容納音頻驅動(dòng)系統。
音頻功率要求肯定會(huì )增加。有兩種主要方法可以滿(mǎn)足這些需求。傳統方法是添加更多由標準音頻放大器驅動(dòng)的通道。該解決方案已用于每個(gè)放大器驅動(dòng)單個(gè)揚聲器的有源系統。但由于渠道數量龐大，它正變得越來(lái)越復雜，并且作為一個(gè)完整的解決方案越來(lái)越站不住腳。
另一種方法是通過(guò)降低揚聲器阻抗或使用 DC/DC 轉換器提高電源電壓來(lái)提高功率輸出。使用這種解決方案，單個(gè)放大器可以驅動(dòng)兩個(gè)或三個(gè)揚聲器，并且仍能產(chǎn)生高性能音頻。
盡管第二種解決方案不那么復雜，但這兩種方法都有一些共同點(diǎn)：它們都增加了耗散功率。因此，為了滿(mǎn)足功耗目標，使用更高效的放大器成為解決方案的關(guān)鍵部分。
圖 1：D 類(lèi)放大器在比 AB 類(lèi)放大器更寬的范圍內提供更高的效率。
效率
對更高效放大器的需求使 D 類(lèi)音頻放大器的討論成為音頻工程師的熱門(mén)話(huà)題。憑借高達 95% 的效率（與 AB 類(lèi)放大器的大約 50% 相比），D 類(lèi)放大器可以控制功率預算并仍然產(chǎn)生卓越的聲音。
它們卓越的能效意味著(zhù)它們需要更小的散熱器，這意味著(zhù)在主機的狹小空間中有更多空間可用于電子設備。然而，D 類(lèi)放大器比 AB 類(lèi)放大器更昂貴，而且它們有特殊的設計考慮。上面的圖 1 顯示了 AB 類(lèi)和 D 類(lèi)放大器在一定輸出功率范圍內的相對效率。
請記住，這兩種方法并不相互排斥。事實(shí)上，創(chuàng )新工程經(jīng)常使用混合解決方案。
汽車(chē)音響電源也不例外。設計工程師將根據幾個(gè)關(guān)鍵考慮因素做出決定：主機的尺寸、功率要求和功率耗散能力；音頻系統的成本；音頻性能；減輕來(lái)自其他電子和機電設備的干擾。
表格1 比較了 AB 類(lèi)和 D 類(lèi)放大器的幾種組合的功耗值。
放大器基礎知識
要充分了解 D 類(lèi)放大器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，了解不同類(lèi)型的放大器會(huì )有所幫助。
* A 類(lèi)放大器中使用的輸出設備 在整個(gè)周期內連續導通。換句話(huà)說(shuō)，偏置電流始終在輸出設備中流動(dòng)。A 類(lèi)放大器提供線(xiàn)性的輸出，因此產(chǎn)生的失真少。缺點(diǎn)是它們效率低下；它們的效率通常約為 20%。
* B 類(lèi)放大器的輸出設備 傳導半個(gè)正弦周期（一個(gè)在正區，另一個(gè)在負區）。如果沒(méi)有輸入信號，則輸出設備中沒(méi)有電流。
B 類(lèi)放大器在輸出功率下的效率為 78.5%。然而，一個(gè)設備關(guān)閉和另一個(gè)設備開(kāi)啟之間的時(shí)間間隔會(huì )在交叉點(diǎn)產(chǎn)生線(xiàn)性問(wèn)題。
* AB 類(lèi)放大器 結合了這兩種類(lèi)型。兩種設備在分頻點(diǎn)附近同時(shí)（盡管極少）導電。每個(gè)器件的導通時(shí)間超過(guò)整個(gè)周期的一半但少于整個(gè)周期，這克服了 B 類(lèi)設計的非線(xiàn)性。
AB 類(lèi)放大器的效率約為 50%，是目前常見(jiàn)的功率放大器類(lèi)型之一。
* D 類(lèi)放大器 是開(kāi)關(guān)或脈沖寬度調制 (PWM) 放大器。由于開(kāi)關(guān)要么完全打開(kāi)，要么完全關(guān)閉，輸出設備中的損耗大大降低。據報道，效率為 90-95%。
音頻信號用于調制驅動(dòng)輸出設備的 PWM 載波信號。然而，由于 D 類(lèi)放大器是切換器，它們會(huì )產(chǎn)生切換噪聲。是一個(gè)低通濾波器，可以去除高頻 PWM 載波頻率。
D 類(lèi)與 AB 類(lèi)
AB 類(lèi)放大器是當今汽車(chē)音頻應用的標準，這是有充分理由的。該技術(shù)成熟且廣為人知，因此應用程序開(kāi)發(fā)相對容易，不需要調整或重新設計。
大批量生產(chǎn)和多家 IC 制造商之間的激烈競爭使價(jià)格合理。BOM 成本進(jìn)一步降低，因為 AB 類(lèi)放大器需要極少的外部元件。
圖 2：四通道和六通道音頻架構比較。添加兩個(gè)通道可以獨立驅動(dòng)低音揚聲器，限制門(mén)共振并使更高的聲音保真度成為可能。
將它們與 D 類(lèi)放大器的初始產(chǎn)品進(jìn)行比較時(shí)，AB 類(lèi)放大器具有不產(chǎn)生 EMI 的固有優(yōu)勢。
AB 類(lèi)放大器的缺點(diǎn)（50% 的工作效率導致相對較高的功耗和散熱）隨著(zhù)音頻系統變得更加復雜而變得越來(lái)越重要。
音響主機的一個(gè)新缺點(diǎn)是 AB 放大器由于功率耗散增加而不適用于 18V 以上的電源電壓以獲得更高的輸出功率。
除了 90% 的工作效率帶來(lái)的好處外，D 類(lèi)放大器還可以設計為與 DSP 進(jìn)行數字互連，DSP 處理音頻，從而節省 DSP 集成 ADC 的成本。AB 類(lèi)放大器主要具有模擬鏈路，但將 D 類(lèi)放大器稱(chēng)為“數字”放大器是用詞不當。，D類(lèi)可以集成到 60V 配電干線(xiàn)中。
六個(gè)聲道的
今天生產(chǎn)的大多數大容量汽車(chē)都有四個(gè)音頻聲道，可以為八個(gè)揚聲器供電。此外，放大器必須支持全音頻范圍，低音和中音揚聲器通常共享相同的通道和功率放大器。一種適應四通道配置的方法會(huì )在門(mén)內產(chǎn)生共振（上圖 2）。
添加兩個(gè)通道可以解決幾個(gè)問(wèn)題。首先，它允許大功率低音揚聲器通過(guò)兩個(gè)新通道獨立驅動(dòng)至汽車(chē)前排座椅下方的揚聲器。消除門(mén)共振。更高的聲音保真度也是可能的，因為所有的揚聲器都沒(méi)有義務(wù)在整個(gè)頻率范圍內工作。
然而，正如任何汽車(chē)音響設計師都會(huì )告訴您的那樣，空間和散熱限制將主機的功耗限制在 20W。解決這個(gè)問(wèn)題的傳統方法是將一些揚聲器路由到中繼單元中的外部放大器盒。雖然這個(gè)解決方案是可行的，但它增加了整體系統的復雜性和成本。
使用 D 類(lèi)放大器提供了一種經(jīng)濟高效的解決方案。從傳統放大器值開(kāi)始，效率為 55% 的 AB 放大器將消耗 4.5W。效率為 94% 的 D 類(lèi)放大器會(huì )耗散 0.6W。
使用六個(gè) AB 類(lèi)放大器通道將導致總功耗為 27W——比通常認為的音響主機的值多 7W，如表中的 A 所示。
但是即使只使用兩個(gè) D 類(lèi)放大器，混合兩種類(lèi)型的放大器也能滿(mǎn)足功率預算，這很可能用于低音揚聲器。表格的底行顯示了 20W 與特定配置的總功耗之間的差異。
D 類(lèi)放大器的成本可能使 Case B 成為中檔車(chē)輛有可能的選擇。但展望未來(lái)（尤其是“音響系統”市場(chǎng)和更高電壓電源軌的前景），D 類(lèi)放大器可能會(huì )擴大其市場(chǎng)滲透率。
車(chē)輛的音頻系統可能支持至少 8 個(gè)和多達 22 個(gè)通道——其中許多通道都位于中繼單元中。如果不在系統中加入 D 類(lèi)放大器，支持大量通道將是一項幾乎不可能完成的任務(wù)。
在成本和質(zhì)量目標之間永無(wú)休止的平衡過(guò)程中，設計工程師會(huì )發(fā)現 AB 類(lèi)和阻尼類(lèi)的許多組合。D 類(lèi)器件將在低功耗至關(guān)重要的領(lǐng)域以及（有點(diǎn)令人驚訝的）需要非常高功率輸出的應用中找到它們的初始位置。這些應用包括超過(guò) 90W 的系統，其中立體聲 D 類(lèi)非常適合。然而，這些選項可能分為四類(lèi)：
Premium： 8 至 22 個(gè)通道，由 AB 類(lèi)和 D 類(lèi)組合驅動(dòng)，目標功率超過(guò) 28W/通道；
針對低功耗優(yōu)化的中音： 四到六個(gè)通道均由 D 類(lèi)驅動(dòng)，目標是大于 25W/通道；
針對成本優(yōu)化的中音： 四到六個(gè)聲道均由 AB 類(lèi)和 D 類(lèi)放大器的組合驅動(dòng)；
基本聲音：二至四聲道，所有 AB 驅動(dòng)，目標小于 28W 聲道。
處理 EMI
汽車(chē)環(huán)境對 D 類(lèi)應用來(lái)說(shuō)極具挑戰性。必須應用具有 D 類(lèi)放大器和汽車(chē)應用經(jīng)驗的半導體供應商的所有知識和技能來(lái)設計出色的產(chǎn)品。
圖 3：在放大器開(kāi)關(guān)晶體管之間的死區時(shí)間內，體二極管中會(huì )積聚電荷，該電荷會(huì )作為電流尖峰釋放（以紅色顯示）。
首先，必須包括 I2C 控制，因為汽車(chē)設計需要它。除此之外，挑戰變得更加困難。D 類(lèi)的輸出電壓受電源電壓的影響，例如，汽車(chē)中的電源電壓不是恒定的。
必須采取措施抑制電源紋波電壓。實(shí)現這一目標的方法是使用負反饋回路。使用二階反饋回路可提供出色的紋波抑制。
如前所述，由開(kāi)關(guān)引起的 EMI 是重要的 D 類(lèi)問(wèn)題之一，也是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。在設計層面，可以通過(guò)相位交錯、跳頻和 AD/BD 調制來(lái)減輕 EMI。
導致 EMI 的電流尖峰是由于放大器開(kāi)關(guān)中晶體管之間的死區時(shí)間而產(chǎn)生的。在死區時(shí)間內，體二極管中會(huì )積累電荷，該電荷會(huì )作為電流尖峰釋放（如上圖 3所示，其中紅線(xiàn)表示尖峰）。
顯而易見(jiàn)的解決方案是消除死區時(shí)間。絕緣體上硅 (SOI) 技術(shù)是理想的，因為所有組件都被氧化物隔離。當輸出低于地電位時(shí)，器件襯底中不會(huì )積聚電荷，從而減少反向恢復時(shí)間，并且不會(huì )對其他組件造成串擾渠道。
( NXP 使用 SOI Advanced BipolarCMOS-DMOS (ABCD) 技術(shù)制造其 D 類(lèi)放大器。除了抑制 EMI 之外，該工藝與 bulkBipolar CMOS-DMOS (BCD) 工藝相比還有另一個(gè)優(yōu)勢——它不受閂鎖的影響，閂鎖可能會(huì )破壞設備。）
D 類(lèi)放大器越來(lái)越多地進(jìn)入汽車(chē)音頻應用，并將繼續贏(yíng)得市場(chǎng)份額。到 2015 年，它們可能占據汽車(chē)音頻放大器市場(chǎng)的 30%。 |
