使用D类放大器应对汽车音频设计挑战

　　由于车载信息娱乐系统不断增添更多功能和予系统，本体和中继单元的音频功率预算已逼近极限。车载音频设计人员正在寻找低成本的高性能解决方案。很多人认为，适当使用效率超高的D类放大器正逐渐成为最明智的可行性选择。

　　与家庭影院系统中应用的音频放大器不同，设计工程师并不可能在简单加大功率的同时找到控制音频质量的合适方式以实现这些目标。汽车仪表板下的音响本体对散热和空间要求非常严格。电源电压同样受到限制，并且经常受到诸如电压尖峰和车内其他电子和机械系统的干扰。同时，随着扬声器和通道的增加，功率要求更高，容纳音频驱动系统的空间却更小。

　　这样，音频功率需求必然会增加。有两种主要方法可以应对这种处境。一种是传统方法，即添加更多由标准音频放大器驱动的通道。这一解决方案已应用于有源音频系统，其中每个放大器驱动一个扬声器。但由于通道数量繁多，这种方案越来越复杂，且越来越难以作为整体解决方案处理。

　　另一种方法是通过降低扬声器电阻，或使用DC／DC转换器来提高电源电压，从而提高功率输出。采用这种解决方案，单个放大器可以驱动两个或三个扬声器，且仍可保持音频的高性能。

　　但两种方法都存在着共同的缺陷：都会增加耗散功率。因此，为达到耗散功率目标，需要利用更加高效的放大器。

　　与AB类放大器相比，D类放大器的效率高达95％，可使功率预算得到控制，同时生成超儿音效。这同时意味着它们所需的散热片更小，在紧凑的空间内可以安装更多的电子元件。但不可忽视，D类放大器比AB类昂贵，而且具有特殊的设计要求。图1为AB类放大器与D类放大器在一定输出功率范围内的效率对比。

　　值得注意的是，这两种方法并非互不相容。实际上，创新的工程设计通常都使用混合解决方案，车载音频也不例外。设计工程师通常会根据以下关键因素做出决定：

　　音响本体的大小、功率要求和功率耗散性能

　　音频系统的成本

　　音频性能

　　消除其他电子和机电设备的干扰 

　　D类和AB类放大器对比

　　AB类放大器因其众多优点，成为目前汽车音频应用领域的标准放大器。相关技术也较为成熟，相对而言易于开发各种应用，且无需调整。AB类放大器与D类放大器的早期产品相比，AB类放大器具有不产生电磁干扰(EMI)的天然优势。

　　但AB类放大器50％的工作效率导致功率和散热相对较高，这一点在音频系统极为精密复杂的情况下显得很重要。对音响本体，由于功率耗散增加，AB类放大器18V或更高的电源电压并不会产生更高的输出功率。

　　相比而言，D类放大器工作效率达90％，可以设计数字连接，以便与处理音频的数字信号处理器(DSP)连接，从而为DSP节省了集成模拟／数字信号转换器的成本。D类放大器还可以集成到60 V配电干线中。

　　六通道案例

　　现在，大多数量产轿车都配备四个音频通道，连接八个扬声器。此外，放大器必须支持整个音频频率范围，且低音和中音扬声器通常共用一个通道和功率放人器。四通道配置的这一最后调整会在车门附近形成回声。

　　增加两个通道可以解决许多问题。首先，这样可以让功率巨大的低音扬声器单独驱动经过两个新增通道，将声音传送至汽车前座下的扬声器，消除车门回声。还可以实现更高的声音保真度，因为所有扬声器都不必在整个频率范围内运行。四通道与六通道音频结构比较见图2。

　　但每位汽车音频设计人员都会告诉你，空间和散热要求会将音响本体的功率耗散限制在20W以内。解决该问题的传统方法是将部分扬声器线路连接到中继单元的外部放大器配电盒中。这种解决方案尽管可行，但会使系统在整体上更加复杂，同时提高成本。

　　适当应用D类放大器是一种成本经济的解决方案。首先看一下传统放大器数值，效率为55％的AB类放大器会耗散4.5W，而效率达94％的D类放人器仅耗散0.6W。

　　使用六个AB类放大器通道，共计产生27W的功率耗散，这要比音响本体通常最大的耗散还多。但如果混合使用两种放大器就可以达到功率预算的要求，即使是仅使用两个D类放大器(最有可能用于低音扬声器)。图3为在六通道音频系统中仅使用两个D类放大器的方案与其他方案的比较，最后一行显示了20W和特定配置的总功率耗散之间的差值。

　　D类放大器的成本可能会使方案B成为最适合中端汽车的选择。但展望未来，尤其是未来的“顶级音频系统”市场(以及更高电压电轨市场)，D类放大器很有可能扩展其市场渗透率。

　　顶级汽车的音频系统可能会支持至少8个、最多22个通道，其中许多都会排入中继单元。如果系统不采用D类放大器，支持大量声通道会成为几乎不可能完成的任务。

　　在不断权衡成本和音质目标的过程中，设计工程师可以研究出AB类和D类放大器的多种组合。D类放大器的首要适用领域是要求低功率耗散以及高输出功率的应用场合。这些应用场合包括高于90W的系统。具体应用类别可分为以下四种:

　　顶级音频系统：由AB类和D类放大器混合驱动8～22个通道，输出功率大于每通道28W。

　　中端音频系统，针对低功率耗散进行优化：由D类放大器驱动4～6个通道，输出功率大于每通道25W。

　　中端音频系统，针对成本进行优化：由AB类和D类放大器混合驱动的4～6个通道。

　　初级音频系统：由AB类放大器驱动的2～4个通道，输出功率低于每通道28W。

　　在汽车音频系统中优化D类放大器

　　车载环境对于D类放大器的应用而言极具挑战。举例来说，D类放大器的输出电压受电源电压的影响，而汽车中的供应电压并不恒定。因此，实际中必须采取措施抑制电源的纹波电压，使用二阶反馈回路可以实现这一抑制效果。

　　如前所述，开关引起的EMI干扰是D类放大器最重要的问题之一。在设计层而，通过相位交错、频率跳动和AD／BD调制，可以减轻EMI干扰。恩智浦进一步设计开发出一项专利解决方案，将EMI抑制功能融入放大器本身。

　　引起EMI干扰的电流尖峰成因是放大器开关时晶体管之间的空载时间。空载时，电荷积聚在二极管中，并以图4所示的电流尖峰形式释放，图中红线代表电流尖峰。

　　显而易见，解决EMI干扰的方法就是消除空载时间。恩智浦的半导体制造专家指出，绝缘硅片(SOI)技术是理想选择，因为所有元件都可通过氧化物实现绝缘。当输出低于地线时，设备的基片不会积聚电荷，减少了逆回复时间，且与其他通道没有交叉干扰。

　　恩智浦在D类放大器中采用了SOI Advanced Bipolar-CMOS-DMOS(ABCD)技术。除抑制EMI干扰外，该工艺与批量Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺相比，还有另一个优点，即不会发生可能破坏设备的闩锁效应。

　　总结

　　D类放大器日益受到汽车音频应用的青睐。也许到2015年时，它们会占据300％的汽车音频放大器市场。恩智浦积累了大量的D类放大器知识。这些消费领域的经验随着D类放大器逐渐进入汽车领域，将会带来引领潮流的产品与应用。