在您的汽车音频子系统中充分利用D类放大器
发布日期:2023-04-17
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随着汽车娱乐和信息娱乐系统增加更多功能和子系统，主机和中继单元的音频功率预算被推到了极限。汽车音频设计人员正在寻找一种高性能、高性价比的解决方案。对于许多人来说，明智地使用超高效 D 类放大器正在成为选择。
特别是，多声道和多扬声器系统在高端汽车中越来越普遍。汽车工程师面临的设计挑战是保持——甚至提高——客户一直期望的高音频放大水平和低失真。
需要更高功率的一个具体实例是大功率、两路甚至三路扬声器系统和低音炮的趋势。
与家庭娱乐系统中的音频放大器不同，设计工程师不能简单地提高功率并同时找到控制音频质量的巧妙方法来实现这些目标。仪表板下方主机的散热和空间限制相当严格。
电源电压也受到限制，并且经常受到诸如电压尖峰和来自汽车中其他电子和机械系统的干扰等事件的干扰。
每个新车型年都会将新的子系统——例如视频或什至导航和 GPS——引入音频设计空间：更多的扬声器、更多的通道、更高的功率要求和通常更少的空间来容纳音频驱动系统。
音频功率要求肯定会增加。有两种主要方法可以满足这些需求。传统方法是添加更多由标准音频放大器驱动的通道。该解决方案已用于每个放大器驱动单个扬声器的有源系统。但由于渠道数量庞大，它正变得越来越复杂，并且作为一个完整的解决方案越来越站不住脚。
另一种方法是通过降低扬声器阻抗或使用 DC/DC 转换器提高电源电压来提高功率输出。使用这种解决方案，单个放大器可以驱动两个或三个扬声器，并且仍能产生高性能音频。
尽管第二种解决方案不那么复杂，但这两种方法都有一些共同点：它们都增加了耗散功率。因此，为了满足功耗目标，使用更高效的放大器成为解决方案的关键部分。
图 1：D 类放大器在比 AB 类放大器更宽的范围内提供更高的效率。
效率
对更高效放大器的需求使 D 类音频放大器的讨论成为音频工程师的热门话题。凭借高达 95% 的效率（与 AB 类放大器的大约 50% 相比），D 类放大器可以控制功率预算并仍然产生卓越的声音。
它们卓越的能效意味着它们需要更小的散热器，这意味着在主机的狭小空间中有更多空间可用于电子设备。然而，D 类放大器比 AB 类放大器更昂贵，而且它们有特殊的设计考虑。上面的图 1 显示了 AB 类和 D 类放大器在一定输出功率范围内的相对效率。
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汽车音响电源也不例外。设计工程师将根据几个关键考虑因素做出决定：主机的尺寸、功率要求和功率耗散能力；音频系统的成本；音频性能；减轻来自其他电子和机电设备的干扰。
表格1 比较了 AB 类和 D 类放大器的几种组合的功耗值。
放大器基础知识
要充分了解 D 类放大器的优点和缺点，了解不同类型的放大器会有所帮助。
* A 类放大器中使用的输出设备 在整个周期内连续导通。换句话说，偏置电流始终在输出设备中流动。A 类放大器提供线性的输出，因此产生的失真少。缺点是它们效率低下；它们的效率通常约为 20%。
* B 类放大器的输出设备 传导半个正弦周期（一个在正区，另一个在负区）。如果没有输入信号，则输出设备中没有电流。
B 类放大器在输出功率下的效率为 78.5%。然而，一个设备关闭和另一个设备开启之间的时间间隔会在交叉点产生线性问题。
* AB 类放大器 结合了这两种类型。两种设备在分频点附近同时（尽管极少）导电。每个器件的导通时间超过整个周期的一半但少于整个周期，这克服了 B 类设计的非线性。
AB 类放大器的效率约为 50%，是目前常见的功率放大器类型之一。
* D 类放大器 是开关或脉冲宽度调制 (PWM) 放大器。由于开关要么完全打开，要么完全关闭，输出设备中的损耗大大降低。据报道，效率为 90-95%。
音频信号用于调制驱动输出设备的 PWM 载波信号。然而，由于 D 类放大器是切换器，它们会产生切换噪声。是一个低通滤波器，可以去除高频 PWM 载波频率。
D 类与 AB 类
AB 类放大器是当今汽车音频应用的标准，这是有充分理由的。该技术成熟且广为人知，因此应用程序开发相对容易，不需要调整或重新设计。
大批量生产和多家 IC 制造商之间的激烈竞争使价格合理。BOM 成本进一步降低，因为 AB 类放大器需要极少的外部元件。
图 2：四通道和六通道音频架构比较。添加两个通道可以独立驱动低音扬声器，限制门共振并使更高的声音保真度成为可能。
将它们与 D 类放大器的初始产品进行比较时，AB 类放大器具有不产生 EMI 的固有优势。
AB 类放大器的缺点（50% 的工作效率导致相对较高的功耗和散热）随着音频系统变得更加复杂而变得越来越重要。
音响主机的一个新缺点是 AB 放大器由于功率耗散增加而不适用于 18V 以上的电源电压以获得更高的输出功率。
除了 90% 的工作效率带来的好处外，D 类放大器还可以设计为与 DSP 进行数字互连，DSP 处理音频，从而节省 DSP 集成 ADC 的成本。AB 类放大器主要具有模拟链路，但将 D 类放大器称为“数字”放大器是用词不当。，D类可以集成到 60V 配电干线中。
六个声道的
今天生产的大多数大容量汽车都有四个音频声道，可以为八个扬声器供电。此外，放大器必须支持全音频范围，低音和中音扬声器通常共享相同的通道和功率放大器。一种适应四通道配置的方法会在门内产生共振（上图 2）。
添加两个通道可以解决几个问题。首先，它允许大功率低音扬声器通过两个新通道独立驱动至汽车前排座椅下方的扬声器。消除门共振。更高的声音保真度也是可能的，因为所有的扬声器都没有义务在整个频率范围内工作。
然而，正如任何汽车音响设计师都会告诉您的那样，空间和散热限制将主机的功耗限制在 20W。解决这个问题的传统方法是将一些扬声器路由到中继单元中的外部放大器盒。虽然这个解决方案是可行的，但它增加了整体系统的复杂性和成本。
使用 D 类放大器提供了一种经济高效的解决方案。从传统放大器值开始，效率为 55% 的 AB 放大器将消耗 4.5W。效率为 94% 的 D 类放大器会耗散 0.6W。
使用六个 AB 类放大器通道将导致总功耗为 27W——比通常认为的音响主机的值多 7W，如表中的 A 所示。
但是即使只使用两个 D 类放大器，混合两种类型的放大器也能满足功率预算，这很可能用于低音扬声器。表格的底行显示了 20W 与特定配置的总功耗之间的差异。
D 类放大器的成本可能使 Case B 成为中档车辆有可能的选择。但展望未来（尤其是“音响系统”市场和更高电压电源轨的前景），D 类放大器可能会扩大其市场渗透率。
车辆的音频系统可能支持至少 8 个和多达 22 个通道——其中许多通道都位于中继单元中。如果不在系统中加入 D 类放大器，支持大量通道将是一项几乎不可能完成的任务。
在成本和质量目标之间永无休止的平衡过程中，设计工程师会发现 AB 类和阻尼类的许多组合。D 类器件将在低功耗至关重要的领域以及（有点令人惊讶的）需要非常高功率输出的应用中找到它们的初始位置。这些应用包括超过 90W 的系统，其中立体声 D 类非常适合。然而，这些选项可能分为四类：
Premium： 8 至 22 个通道，由 AB 类和 D 类组合驱动，目标功率超过 28W/通道；
针对低功耗优化的中音： 四到六个通道均由 D 类驱动，目标是大于 25W/通道；
针对成本优化的中音： 四到六个声道均由 AB 类和 D 类放大器的组合驱动；
基本声音：二至四声道，所有 AB 驱动，目标小于 28W 声道。
处理 EMI
汽车环境对 D 类应用来说极具挑战性。必须应用具有 D 类放大器和汽车应用经验的半导体供应商的所有知识和技能来设计出色的产品。
图 3：在放大器开关晶体管之间的死区时间内，体二极管中会积聚电荷，该电荷会作为电流尖峰释放（以红色显示）。
首先，必须包括 I2C 控制，因为汽车设计需要它。除此之外，挑战变得更加困难。D 类的输出电压受电源电压的影响，例如，汽车中的电源电压不是恒定的。
必须采取措施抑制电源纹波电压。实现这一目标的方法是使用负反馈回路。使用二阶反馈回路可提供出色的纹波抑制。
如前所述，由开关引起的 EMI 是重要的 D 类问题之一，也是一个很难解决的问题。在设计层面，可以通过相位交错、跳频和 AD/BD 调制来减轻 EMI。
导致 EMI 的电流尖峰是由于放大器开关中晶体管之间的死区时间而产生的。在死区时间内，体二极管中会积累电荷，该电荷会作为电流尖峰释放（如上图 3所示，其中红线表示尖峰）。
显而易见的解决方案是消除死区时间。绝缘体上硅 (SOI) 技术是理想的，因为所有组件都被氧化物隔离。当输出低于地电位时，器件衬底中不会积聚电荷，从而减少反向恢复时间，并且不会对其他组件造成串扰渠道。
( NXP 使用 SOI Advanced BipolarCMOS-DMOS (ABCD) 技术制造其 D 类放大器。除了抑制 EMI 之外，该工艺与 bulkBipolar CMOS-DMOS (BCD) 工艺相比还有另一个优势——它不受闩锁的影响，闩锁可能会破坏设备。）
D 类放大器越来越多地进入汽车音频应用，并将继续赢得市场份额。到 2015 年，它们可能占据汽车音频放大器市场的 30%。
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