一種應(yīng)用于汽車(chē)的D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)方案

隨著高傳真音響系統(tǒng)體積越來(lái)越大、功耗越來(lái)越高，對(duì)D類(lèi)音訊放大器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將可滿(mǎn)足汽車(chē)音響設(shè)計(jì)特殊挑戰(zhàn)。對(duì)車(chē)用資訊和資訊娛樂(lè)系統(tǒng)而言，其功能和子系統(tǒng)的不斷增多，對(duì)車(chē)前部和車(chē)身的音響功率預(yù)算要求已達(dá)極限。汽車(chē)音響設(shè)計(jì)師在尋找高性能、低成本方案。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，采用超高效率的D類(lèi)放大器可能是最佳選擇。
　　特別是對(duì)高階汽車(chē)來(lái)說(shuō)，多聲道、多揚(yáng)聲器系統(tǒng)已成為標(biāo)準(zhǔn)配備。汽車(chē)音響工程師所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括：保持甚至超越顧客對(duì)極高音響放大器水準(zhǔn)及超低失真的期待；以及為因應(yīng)向雙甚至三聲道揚(yáng)聲器系統(tǒng)和重低音轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，需要更高功率的設(shè)計(jì)。
　　與家庭娛樂(lè)系統(tǒng)的音響放大器不同，設(shè)計(jì)工程師無(wú)法簡(jiǎn)單地加大功率，同時(shí)找到一種可控制音訊品質(zhì)以滿(mǎn)足這些目標(biāo)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(nèi)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(nèi)其他電子和機(jī)械系統(tǒng)干擾導(dǎo)致的電壓異常。
　　每一種新車(chē)型都會(huì)在音響設(shè)計(jì)中加入新的子系統(tǒng)，例如：視訊甚或?qū)Ш胶腿蚨ㄎ幌到y(tǒng)GPS）等。如此一來(lái)，音響系統(tǒng)就面臨著對(duì)更多揚(yáng)聲器、更多聲道、更高功率的要求，通常情況下，留給音響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的空間也就更局促。
　　對(duì)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(tǒng)方式是增加更多的由標(biāo)準(zhǔn)音響放大器驅(qū)動(dòng)的聲道。在每一放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)揚(yáng)聲器的主動(dòng)系統(tǒng)中即采用該方案。但也就是因?yàn)槁暤罃?shù)的增加，這種方式變得愈加復(fù)雜，且越來(lái)越難以為繼。
　　另一種方法是透過(guò)減少揚(yáng)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(qū)動(dòng)兩或三個(gè)揚(yáng)聲器，且仍能得到高傳真的音訊輸出。
　　雖然第二個(gè)方案較不復(fù)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(biāo)，采用更高效的系統(tǒng)成為具體方案的關(guān)鍵。
　　對(duì)更高效放大器的需求，己經(jīng)使對(duì)D類(lèi)音訊放大器的討論成為音響設(shè)計(jì)師之間的熱門(mén)話(huà)題。
　　D類(lèi)音訊的效率可高達(dá)95%，而AB類(lèi)音訊放大器的效率只有約50%；因此，D類(lèi)音訊放大器在提供優(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(chē)前單元節(jié)省空間，以安放更多的電子系統(tǒng)。但D類(lèi)比AB類(lèi)放大器要貴得多，并需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)考慮。
　　圖1顯示的是在輸出功率范圍內(nèi)，AB類(lèi)放大器（圖1a）和D類(lèi)音訊放大器（圖1b）的相對(duì)效率。

圖1 在更寬的范圍內(nèi)，D類(lèi)音訊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(shè)計(jì)經(jīng)常采用混合方案。汽車(chē)音響也不例外。設(shè)計(jì)工程師將根據(jù)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(tǒng)的成本
　　音響性能
　　如何降低來(lái)自其他電子和機(jī)電設(shè)備的干擾。
　　1  放大器的技術(shù)基礎(chǔ)
　　為充分了解D類(lèi)音訊放大器，我們首先簡(jiǎn)單介紹該放大器的技術(shù)基礎(chǔ)。
　　A類(lèi)放大器的輸出元件在整個(gè)周期都持續(xù)導(dǎo)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(fù)半周期）導(dǎo)通。若沒(méi)有輸入訊號(hào)，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(dǎo)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(dǎo)通。每個(gè)元件的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)於半個(gè)但短於一個(gè)周期，克服了B類(lèi)放大器設(shè)計(jì)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)音訊放大器是開(kāi)關(guān)和脈寬調(diào)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(jù)說(shuō)其效率可達(dá)90~95%。利用音訊訊號(hào)調(diào)變可驅(qū)動(dòng)輸出元件的PWM載波訊號(hào)。但因D類(lèi)音訊放大器是開(kāi)關(guān)型，所以它會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)雜訊。其最末級(jí)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(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)非常成熟，所以，采用其開(kāi)發(fā)產(chǎn)品相對(duì)較容易，且不需要調(diào)整和重頭再來(lái)。多家IC制造商間的激烈競(jìng)爭(zhēng)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(dāng)與最初的D類(lèi)音訊放大器相較時(shí)，AB類(lèi)放大器具有不產(chǎn)生電磁干擾（EMI）的優(yōu)勢(shì)。
　　AB類(lèi)放大器的缺點(diǎn)包括相對(duì)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(tǒng)變得更復(fù)雜時(shí)，這些缺點(diǎn)才會(huì)成為嚴(yán)重問(wèn)題。不過(guò)，在車(chē)前單元的應(yīng)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(dāng)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)音訊放大器還可透過(guò)與處理音訊之?dāng)?shù)位訊號(hào)處理器（DSP）的互連來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此舉節(jié)省了在DSP內(nèi)整合一個(gè)類(lèi)比/數(shù)位轉(zhuǎn)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)音訊放大器稱(chēng)為‘數(shù)位’放大并不恰當(dāng)。）最後，D類(lèi)音訊放大器可整合到60V的電源線(xiàn)路之中。

3  六聲道設(shè)計(jì)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(duì)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(gòu)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(dú)立地驅(qū)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(xiàn)高傳真音質(zhì)。
　　但如同每位汽車(chē)音響設(shè)計(jì)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(guī)避該問(wèn)題的傳統(tǒng)作法是用安置在車(chē)身上的外接放大器單元驅(qū)動(dòng)某些喇叭。該方案雖然可行，但也增加了整體系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。
　　明智地使用D類(lèi)音訊放大器為解決該問(wèn)題提供了一個(gè)具成本效益的答案。依正常放大器值計(jì)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)音訊放大器功耗是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(rèn)為可承受的功耗高7W（見(jiàn)圖3，情況A）。但若將AB和D類(lèi)音訊放大器整合在一起，則即使僅采用兩個(gè)D類(lèi)音訊放大器（最可能用於低音喇叭驅(qū)動(dòng)），也將滿(mǎn)足功耗預(yù)算。圖3的最下行顯示了20W與該特定配置的整體功耗區(qū)別。

圖3 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(tǒng)具有理想的性?xún)r(jià)比，適用於車(chē)前單元
　　D類(lèi)音訊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。但著眼未來(lái)，特別是‘優(yōu)質(zhì)音響系統(tǒng)’市場(chǎng)（更高電源等級(jí)）的情況，D類(lèi)音訊放大器有可能擴(kuò)大其市場(chǎng)占有率。
　　高階車(chē)音響系統(tǒng)可能最少支援8個(gè)聲道、最多達(dá)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(tǒng)中采用D類(lèi)音訊放大器，則支援多個(gè)聲道可能幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
　　在對(duì)成本和品質(zhì)目標(biāo)間不懈的權(quán)衡過(guò)程中，設(shè)計(jì)工程師會(huì)找到AB類(lèi)和D類(lèi)音訊放大器的許多種組合。D類(lèi)音訊放大器最初會(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(yīng)用中找到用武之地。這些應(yīng)用包括功率大於90W的系統(tǒng)，其中立體聲D類(lèi)音訊放大器是最佳選擇。但其應(yīng)用可歸類(lèi)為4種系統(tǒng)：
　　高階：由AB和D類(lèi)音訊放大器聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的8到22聲道系統(tǒng)、每聲道功率大於28W。
　　對(duì)功耗進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)的中階音響系統(tǒng)：由純D類(lèi)音訊放大器驅(qū)動(dòng)的4到6聲道系統(tǒng)、每聲道功率大於25W。
　　對(duì)成本進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)的中階音響系統(tǒng)：由AB和D類(lèi)音訊放大器聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的4到6聲道系統(tǒng)。
　　基本音響系統(tǒng)：全由AB類(lèi)放大器驅(qū)動(dòng)的2到4聲道系統(tǒng)、每聲道功率小於28W。
　　4  汽車(chē)應(yīng)用的D類(lèi)放大器
　　汽車(chē)環(huán)境對(duì)D類(lèi)音訊放大器應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。為設(shè)計(jì)一款出眾的產(chǎn)品，半導(dǎo)體供應(yīng)商必須提供其知識(shí)、技巧及關(guān)於D類(lèi)音訊放大器和汽車(chē)應(yīng)用的豐富經(jīng)驗(yàn)。
　　對(duì)啟動(dòng)器來(lái)說(shuō)，由於汽車(chē)設(shè)計(jì)的需求，I2C控制已被納入其中。此外，挑戰(zhàn)也正變得益發(fā)困難。例如，D類(lèi)音訊放大器的輸出電壓受電源電壓的影響，且車(chē)內(nèi)的電源電壓是不穩(wěn)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(fù)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(dǎo)致的EMI是D類(lèi)音訊放大器最嚴(yán)重的問(wèn)題之一，且非常難以解決。在設(shè)計(jì)層面，可透過(guò)相位混合（phase staggering）、跳頻和AD/BD調(diào)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(nèi)部電晶體間導(dǎo)入的死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的。在死區(qū)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(qū)時(shí)間導(dǎo)入的電流突波產(chǎn)生EMI

　　消除死區(qū)時(shí)間是個(gè)明顯的解決方案。為達(dá)到此目標(biāo)，恩智浦訴諸了其半導(dǎo)體制造專(zhuān)長(zhǎng)。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(dāng)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(fù)時(shí)間，且與其他聲道之間沒(méi)有串?dāng)_。
　　5 小結(jié)
　　D類(lèi)音訊放大器將在汽車(chē)音響應(yīng)用中擴(kuò)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D類(lèi)音訊放大器進(jìn)入汽車(chē)應(yīng)用，NXP不僅將與該趨勢(shì)齊頭并進(jìn)，還將引領(lǐng)該潮流的走向。