在您的汽車音頻子系統(tǒng)中充分利用 D 類放大器

    隨著汽車娛樂和信息娛樂系統(tǒng)增加更多功能和子系統(tǒng)，主機(jī)和中繼單元的音頻功率預(yù)算被推到了極限。汽車音頻設(shè)計人員正在尋找一種高性能、高性價比的解決方案。對于許多人來說，明智地使用超高效 D 類放大器正在成為選擇。
    特別是，多聲道和多揚(yáng)聲器系統(tǒng)在高端汽車中越來越普遍。汽車工程師面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)是保持——甚至提高——客戶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具體實(shí)例是大功率、兩路甚至三路揚(yáng)聲器系統(tǒng)和低音炮的趨勢。
    與家庭娛樂系統(tǒng)中的音頻放大器不同，設(shè)計工程師不能簡單地提高功率并同時找到控制音頻質(zhì)量的巧妙方法來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。儀表板下方主機(jī)的散熱和空間限制相當(dāng)嚴(yán)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自汽車中其他電子和機(jī)械系統(tǒng)的干擾等事件的干擾。
    每個新車型年都會將新的子系統(tǒng)——例如視頻或什至導(dǎo)航和 GPS——引入音頻設(shè)計空間：更多的揚(yáng)聲器、更多的通道、更高的功率要求和通常更少的空間來容納音頻驅(qū)動系統(tǒng)。
    音頻功率要求肯定會增加。有兩種主要方法可以滿足這些需求。傳統(tǒng)方法是添加更多由標(biāo)準(zhǔn)音頻放大器驅(qū)動的通道。該解決方案已用于每個放大器驅(qū)動單個揚(yáng)聲器的有源系統(tǒng)。但由于渠道數(shù)量龐大，它正變得越來越復(fù)雜，并且作為一個完整的解決方案越來越站不住腳。
    另一種方法是通過降低揚(yáng)聲器阻抗或使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提高電源電壓來提高功率輸出。使用這種解決方案，單個放大器可以驅(qū)動兩個或三個揚(yáng)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(fù)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，為了滿足功耗目標(biāo)，使用更高效的放大器成為解決方案的關(guān)鍵部分。

    圖 1：D 類放大器在比 AB 類放大器更寬的范圍內(nèi)提供更高的效率。
    效率
    對更高效放大器的需求使 D 類音頻放大器的討論成為音頻工程師的熱門話題。憑借高達(dá) 95% 的效率（與 AB 類放大器的大約 50% 相比），D 類放大器可以控制功率預(yù)算并仍然產(chǎn)生卓越的聲音。
    它們卓越的能效意味著它們需要更小的散熱器，這意味著在主機(jī)的狹小空間中有更多空間可用于電子設(shè)備。然而，D 類放大器比 AB 類放大器更昂貴，而且它們有特殊的設(shè)計考慮。上面的圖 1 顯示了 AB 類和 D 類放大器在一定輸出功率范圍內(nèi)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。
    汽車音響電源也不例外。設(shè)計工程師將根據(jù)幾個關(guān)鍵考慮因素做出決定：主機(jī)的尺寸、功率要求和功率耗散能力；音頻系統(tǒng)的成本；音頻性能；減輕來自其他電子和機(jī)電設(shè)備的干擾。

    表格1。比較了 AB 類和 D 類放大器的幾種組合的功耗值。
    放大器基礎(chǔ)知識
    要充分了解 D 類放大器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，了解不同類型的放大器會有所幫助。
    * A 類放大器中使用的輸出設(shè)備 在整個周期內(nèi)連續(xù)導(dǎo)通。換句話說，偏置電流始終在輸出設(shè)備中流動。A 類放大器提供線性的輸出，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 類放大器的輸出設(shè)備 傳導(dǎo)半個正弦周期（一個在正區(qū)，另一個在負(fù)區(qū)）。如果沒有輸入信號，則輸出設(shè)備中沒有電流。
    B 類放大器在輸出功率下的效率為 78.5%。然而，一個設(shè)備關(guān)閉和另一個設(shè)備開啟之間的時間間隔會在交叉點(diǎn)產(chǎn)生線性問題。
    * AB 類放大器 結(jié)合了這兩種類型。兩種設(shè)備在分頻點(diǎn)附近同時（盡管極少）導(dǎo)電。每個器件的導(dǎo)通時間超過整個周期的一半但少于整個周期，這克服了 B 類設(shè)計的非線性。
    AB 類放大器的效率約為 50%，是目前常見的功率放大器類型之一。
    * D 類放大器 是開關(guān)或脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 放大器。由于開關(guān)要么完全打開，要么完全關(guān)閉，輸出設(shè)備中的損耗大大降低。據(jù)報道，效率為 90-95%。
    音頻信號用于調(diào)制驅(qū)動輸出設(shè)備的 PWM 載波信號。然而，由于 D 類放大器是切換器，它們會產(chǎn)生切換噪聲。是一個低通濾波器，可以去除高頻 PWM 載波頻率。
    D 類與 AB 類
    AB 類放大器是當(dāng)今汽車音頻應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，這是有充分理由的。該技術(shù)成熟且廣為人知，因此應(yīng)用程序開發(fā)相對容易，不需要調(diào)整或重新設(shè)計。
    大批量生產(chǎn)和多家 IC 制造商之間的激烈競爭使價格合理。BOM 成本進(jìn)一步降低，因?yàn)?AB 類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(gòu)比較。添加兩個通道可以獨(dú)立驅(qū)動低音揚(yáng)聲器，限制門共振并使更高的聲音保真度成為可能。
    將它們與 D 類放大器的初始產(chǎn)品進(jìn)行比較時，AB 類放大器具有不產(chǎn)生 EMI 的固有優(yōu)勢。
    AB 類放大器的缺點(diǎn)（50% 的工作效率導(dǎo)致相對較高的功耗和散熱）隨著音頻系統(tǒng)變得更加復(fù)雜而變得越來越重要。
    音響主機(jī)的一個新缺點(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% 的工作效率帶來的好處外，D 類放大器還可以設(shè)計為與 DSP 進(jìn)行數(shù)字互連，DSP 處理音頻，從而節(jié)省 DSP 集成 ADC 的成本。AB 類放大器主要具有模擬鏈路，但將 D 類放大器稱為“數(shù)字”放大器是用詞不當(dāng)。，D類可以集成到 60V 配電干線中。
    六個聲道的
    今天生產(chǎn)的大多數(shù)大容量汽車都有四個音頻聲道，可以為八個揚(yáng)聲器供電。此外，放大器必須支持全音頻范圍，低音和中音揚(yáng)聲器通常共享相同的通道和功率放大器。一種適應(yīng)四通道配置的方法會在門內(nèi)產(chǎn)生共振（上圖 2）。
    添加兩個通道可以解決幾個問題。首先，它允許大功率低音揚(yáng)聲器通過兩個新通道獨(dú)立驅(qū)動至汽車前排座椅下方的揚(yáng)聲器。消除門共振。更高的聲音保真度也是可能的，因?yàn)樗械膿P(yáng)聲器都沒有義務(wù)在整個頻率范圍內(nèi)工作。
    然而，正如任何汽車音響設(shè)計師都會告訴您的那樣，空間和散熱限制將主機(jī)的功耗限制在 20W。解決這個問題的傳統(tǒng)方法是將一些揚(yáng)聲器路由到中繼單元中的外部放大器盒。雖然這個解決方案是可行的，但它增加了整體系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
    使用 D 類放大器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。從傳統(tǒng)放大器值開始，效率為 55% 的 AB 放大器將消耗 4.5W。效率為 94% 的 D 類放大器會耗散 0.6W。
    使用六個 AB 類放大器通道將導(dǎo)致總功耗為 27W——比通常認(rèn)為的音響主機(jī)的值多 7W，如表中的 A 所示。
    但是即使只使用兩個 D 類放大器，混合兩種類型的放大器也能滿足功率預(yù)算，這很可能用于低音揚(yáng)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 類放大器的成本可能使 Case B 成為中檔車輛有可能的選擇。但展望未來（尤其是“音響系統(tǒng)”市場和更高電壓電源軌的前景），D 類放大器可能會擴(kuò)大其市場滲透率。
    車輛的音頻系統(tǒng)可能支持至少 8 個和多達(dá) 22 個通道——其中許多通道都位于中繼單元中。如果不在系統(tǒng)中加入 D 類放大器，支持大量通道將是一項(xiàng)幾乎不可能完成的任務(wù)。
    在成本和質(zhì)量目標(biāo)之間永無休止的平衡過程中，設(shè)計工程師會發(fā)現(xiàn) AB 類和阻尼類的許多組合。D 類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(yīng)用中找到它們的初始位置。這些應(yīng)用包括超過 90W 的系統(tǒng)，其中立體聲 D 類非常適合。然而，這些選項(xiàng)可能分為四類：
    Premium： 8 至 22 個通道，由 AB 類和 D 類組合驅(qū)動，目標(biāo)功率超過 28W/通道；
    針對低功耗優(yōu)化的中音： 四到六個通道均由 D 類驅(qū)動，目標(biāo)是大于 25W/通道；
    針對成本優(yōu)化的中音： 四到六個聲道均由 AB 類和 D 類放大器的組合驅(qū)動；
    基本聲音：二至四聲道，所有 AB 驅(qū)動，目標(biāo)小于 28W 聲道。
    處理 EMI
    汽車環(huán)境對 D 類應(yīng)用來說極具挑戰(zhàn)性。必須應(yīng)用具有 D 類放大器和汽車應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的半導(dǎo)體供應(yīng)商的所有知識和技能來設(shè)計出色的產(chǎn)品。
    圖 3：在放大器開關(guān)晶體管之間的死區(qū)時間內(nèi)，體二極管中會積聚電荷，該電荷會作為電流尖峰釋放（以紅色顯示）。
    首先，必須包括 I2C 控制，因?yàn)槠囋O(shè)計需要它。除此之外，挑戰(zhàn)變得更加困難。D 類的輸出電壓受電源電壓的影響，例如，汽車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(xiàn)這一目標(biāo)的方法是使用負(fù)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，由開關(guān)引起的 EMI 是重要的 D 類問題之一，也是一個很難解決的問題。在設(shè)計層面，可以通過相位交錯、跳頻和 AD/BD 調(diào)制來減輕 EMI。
    導(dǎo)致 EMI 的電流尖峰是由于放大器開關(guān)中晶體管之間的死區(qū)時間而產(chǎn)生的。在死區(qū)時間內(nèi)，體二極管中會積累電荷，該電荷會作為電流尖峰釋放（如上圖 3所示，其中紅線表示尖峰）。
    顯而易見的解決方案是消除死區(qū)時間。絕緣體上硅 (SOI) 技術(shù)是理想的，因?yàn)樗薪M件都被氧化物隔離。當(dāng)輸出低于地電位時，器件襯底中不會積聚電荷，從而減少反向恢復(fù)時間，并且不會對其他組件造成串?dāng)_渠道。
    ( NXP 使用 SOI Advanced BipolarCMOS-DMOS (ABCD) 技術(shù)制造其 D 類放大器。除了抑制 EMI 之外，該工藝與 bulkBipolar CMOS-DMOS (BCD) 工藝相比還有另一個優(yōu)勢——它不受閂鎖的影響，閂鎖可能會破壞設(shè)備。）
    D 類放大器越來越多地進(jìn)入汽車音頻應(yīng)用，并將繼續(xù)贏得市場份額。到 2015 年，它們可能占據(jù)汽車音頻放大器市場的 30%。