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重新設計D類放大器應對汽車音響設計挑戰

上網時間: 2008年02月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:汽車  音響  D類 

隨著高傳真音響系統體積越來越大、功耗越來越高,對D類音訊放大器進行重新設計,將可滿足汽車音響設計特殊挑戰。對車用資訊和資訊娛樂系統而言,其功能和子系統的不斷增多,對車前部和車身的音響功率預算要求已達極限。汽車音響設計師在尋找高性能、低成本方案。對許多應用來說,採用超高效率的D類音訊放大器可能是最佳選擇。

特別是對高階汽車來說,多聲道、多揚聲器系統已成為標準配備。汽車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。

與家庭娛樂系統的音響放大器不同,設計工程師無法簡單地加大功率,同時找到一種可控制音訊品質以滿足這些目標的方法。位於駕駛儀表板之下的空間非常有限,也不允許大量發熱。另外,車內的電源電壓也受到限制,且常常會有因諸如電壓跳變和來自車內其他電子和機械系統干擾導致的電壓異常。

每一種新車型都會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,音響系統就面臨著對更多揚聲器、更多聲道、更高功率的要求,通常情況下,留給音響驅動系統的空間也就更侷促。

對音響功率的要求一直在增加。有兩種基本方式可滿足這些需求。傳統方式是增加更多的由標準音響放大器驅動的聲道。在每一放大器驅動一個揚聲器的主動系統中即採用該方案。但也就是因為聲道數的增加,這種方式變得愈加複雜,且越來越難以為繼。

另一種方法是透過減少揚聲器的阻抗或利用DC/DC變換器增加電源電壓來增加功率輸出。採用該方法,單一放大器可驅動兩或三個揚聲器,且仍能得到高傳真的音訊輸出。

雖然第二個方案較不複雜,但兩種方案仍有共通點:它們都增加了耗散功耗。因此,為滿足功耗指標,採用更高效的系統成為具體方案的關鍵。

對更高效放大器的需求,己經使對D類音訊放大器的討論成為音響設計師之間的熱門話題。

D類音訊的效率可高達95%,而AB類音訊放大器的效率只有約50%;因此,D類音訊放大器在提供優異音質的同時還可掌控功耗。D類音訊放大器良好的功率效率意味著它們只需更小的散熱器,為狹窄的車前單元節省空間,以安放更多的電子系統。但D類比AB類放大器要貴得多,並需要專門的設計考慮。

圖1顯示的是在輸出功率範圍內,AB類放大器(圖1a)和D類音訊放大器(圖1b)的相對效率。

圖1:在更寬的範圍內,D類音訊放大器具有更高效率。
圖1:在更寬的範圍內,D類音訊放大器具有更高效率。

要記住的是:這兩種方法並非水火不容。實際上,創新的工程設計經常採用混合方案。汽車音響也不例外。設計工程師將根據以下幾個關鍵考慮來決策:

車前單元的大小、功率要求和散熱能力

• 音響系統的成本

• 音響性能

• 如何降低來自其他電子和機電設備的干擾。

放大器的技術基礎

為充分瞭解D類音訊放大器,我們首先簡單介紹該放大器的技術基礎。

•A類放大器的輸出元件在整個週期都持續導通。換言之,偏置電流一直流過輸出元件。A類放大器具有最好的線性輸出、失真最小。但缺點是效率太低,只有約20%。

•B類放大器的輸出元件分別在正弦曲線的半個週期(一個在正半、另一個在負半週期)導通。若沒有輸入訊號,則輸出元件沒有電流流過。在最大輸出功率,B類放大器的效率最高,為78.5%。但一個輸出元件關閉和另一個輸出元件導通間的間隔會在交叉點產生線性問題。

•AB類放大器是上述兩種類型的組合。兩個元件在靠近交叉點(儘管很接近)處同時導通。每個元件的導通時間長於半個但短於一個週期,克服了B類放大器設計非線性問題。AB類放大器效率約為50%。它是最常用的一種功率放大器。

•D類音訊放大器是開關和脈寬調變(PWM)放大器。因開關不是全開就是全關,所以大幅降低了輸出元件上的損耗。據說其效率可達90~95%。利用音訊訊號調變可驅動輸出元件的PWM載波訊號。但因D類音訊放大器是開關型,所以它會產生開關雜訊。其最末級是一個濾除高頻PWM載頻的低通濾波器。

D類和AB類放大器比較

AB類放大器是目前汽車音響應用中的標準。該技術非常成熟,所以,採用其開發產品相對較容易,且不需要調整和重頭再來。多家IC製造商間的激烈競爭也使AB類放大器價格趨於合理。由於AB類放大器只需外接幾個元件,進一步降低了原材料成本。另外,當與最初的D類音訊放大器相較時,AB類放大器具有不產生電磁干擾(EMI)的優勢。

AB類放大器的缺點包括相對較高的功耗,以及由50%工作效率引起的發熱,但僅在音響系統變得更複雜時,這些缺點才會成為嚴重問題。不過,在車前單元的應用中,AB類放大器又引發了一個新問題:源於不斷增加的功耗,當電源電壓高於18V時,無法用AB類放大器產生更高輸出功率。

除了90%的工作效率外,D類音訊放大器還可透過與處理音訊之數位訊號處理器(DSP)的互連來進行設計,此舉節省了在DSP內整合一個類比/數位轉換器的成本(AB類放大器有一個基本的類比連接;但將D類音訊放大器稱為‘數位’放大並不恰當。)最後,D類音訊放大器可整合到60V的電源線路之中。

六聲道設計範例

目前,許多量產型汽車具有4聲道及8個喇叭。另外,放大器必須能支援整個音訊譜域,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門產生共振(見圖2)。

圖2:4聲道與6聲道音響架構比較。
圖2:4聲道與6聲道音響架構比較。

增加兩個聲道將解決幾個問題。首先,它允許用兩個新增聲道獨立地驅動大功率的低音喇叭,以排除車門共振。另外,由於全部喇叭都不必工作在整個頻率範圍,還有可能實現高傳真音質。

但如同每位汽車音響設計師所說的,空間和發熱的限制使車前單元功耗不得高於20W。規避該問題的傳統作法是用安置在車身上的外接放大器單元驅動某些喇叭。該方案雖然可行,但也增加了整體系統複雜性和成本。

明智地使用D類音訊放大器為解決該問題提供了一個具成本效益的答案。依正常放大器值計算,一款效率55%的AB類放大器功耗是4.5 W,而一款效率94%的D類音訊放大器功耗是0.6 W。

採用6個AB類放大器聲道將總共產生27W功耗,比車前單元一般認為可承受的功耗高7W(見圖3,情況A)。但若將AB和D類音訊放大器整合在一起,則即使僅採用兩個D類音訊放大器(最可能用於低音喇叭驅動),也將滿足功耗預算。圖3的最下行顯示了20W與該特定配置的整體功耗區別。

圖3:僅使用兩個D類音訊放大器,就可使一個6聲道系統具有理想的性價比,適用於車前單元。
圖3:僅使用兩個D類音訊放大器,就可使一個6聲道系統具有理想的性價比,適用於車前單元。

D類音訊放大器的成本大概會使情況B最可能成為中階車款的選擇。但著眼未來,特別是‘優質音響系統’市場(更高電源等級)的情況,D類音訊放大器有可能擴大其市場佔有率。

高階車音響系統可能最少支援8個聲道、最多達22個聲道,其中許多聲道會放在車身單元。若不在系統中採用D類音訊放大器,則支援多個聲道可能幾乎無法實現。

在對成本和品質目標間不懈的權衡過程中,設計工程師會找到AB類和D類音訊放大器的許多種組合。D類音訊放大器最初會在低功耗至關重要以及(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類音訊放大器是最佳選擇。但其應用可歸類為4種系統:

•高階:由AB和D類音訊放大器聯合驅動的8到22聲道系統、每聲道功率大於28W。

•對功耗進行最佳化設計的中階音響系統:由純D類音訊放大器驅動的4到6聲道系統、每聲道功率大於25W。

•對成本進行最佳化設計的中階音響系統:由AB和D類音訊放大器聯合驅動的4到6聲道系統。

•基本音響系統:全由AB類放大器驅動的2到4聲道系統、每聲道功率小於28W。

汽車應用的D類放大器

汽車環境對D類音訊放大器應用提出了挑戰。為設計一款出眾的產品,半導體供應商必須提供其知識、技巧及關於D類音訊放大器和汽車應用的豐富經驗。

對啟動器來說,由於汽車設計的需求,I2C控制已被納入其中。此外,挑戰也正變得益發困難。例如,D類音訊放大器的輸出電壓受電源電壓的影響,且車內的電源電壓是不穩定的。為抑制電源紋波電壓,已採取了若干措施。抑制電壓波動的最好方法是採用負反饋環。一個二階反饋環可提供優異的紋波抑制。

由開關導致的EMI是D類音訊放大器最嚴重的問題之一,且非常難以解決。在設計層面,可透過相位混合(phase staggering)、跳頻和AD/BD調變來減輕EMI。

但恩智浦公司更上層樓,它發明了一種將EMI抑制功能設計到放大器中的方案,並申請了專利。

提高EMI的突波電流是由放大器開關時在其內部電晶體間導入的死區時間產生的。在死區時間,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,紅線指示該突波)。

圖4:死區時間導入的電流突波產生EMI。
圖4:死區時間導入的電流突波產生EMI。

消除死區時間是個明顯的解決方案。為達到此目標,恩智浦訴諸了其半導體製造專長。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。當輸出電壓低於地電壓時,元件基層沒有電荷積聚,縮短了反向恢復時間,且與其他聲道之間沒有串擾。

恩智浦採用SOI先進雙極CMOS-DMOS(SOI ABCD)技術製造其D類音訊放大器。該製程除能管控EMI外,與塊狀雙極-CMOS-DMOS(BCD)製程相較,它還具有另一項優勢──它並不具備可損毀元件的閂鎖效應。

本文小結

D類音訊放大器將在汽車音響應用中擴大其市場佔有率。到2015年,它將佔汽車放大器市場的30%。

恩智浦在消費電子領域的長期經驗使其具有應用D類音訊放大器的豐富知識。隨著D類音訊放大器進入汽車應用,NXP不僅將與該趨勢齊頭並進,還將引領該潮流的走向。

作者:Michael Kaufmann

產品行銷經理

汽車和認證事業部

Kees van der Wolf

汽車音響放大器應用工程師

恩智浦半導體




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