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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)，主機和中繼單元的音頻功率預算被推到了極限。汽車音頻設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例是大功率、兩路甚至三路揚聲器系統(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，設計工程師不能簡單地提高功率并同時找到控制音頻質量的巧妙方法來實現(xiàn)這些目標。儀表板下方主機的散熱和空間限制相當嚴格。

電源電壓也受到限制，并且經常受到諸如電壓尖峰和來自汽車中其他電子和機械系統(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)——例如視頻或什至導航和 GPS——引入音頻設計空間：更多的揚聲器、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準音頻放大器驅動的通道。該解決方案已用于每個放大器驅動單個揚聲器的有源系統(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聲器阻抗或使用 DC/DC 轉換器提高電源電壓來提高功率輸出。使用這種解決方案，單個放大器可以驅動兩個或三個揚聲器，并且仍能產生高性能音頻。

盡管第二種解決方案不那么復雜，但這兩種方法都有一些共同點：它們都增加了耗散功率。因此，為了滿足功耗目標，使用更高效的放大器成為解決方案的關鍵部分。

圖 1：D 類放大器在比 AB 類放大器更寬的范圍內提供更高的效率。

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 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算并仍然產生卓越的聲音。

它們卓越的能效意味著它們需要更小的散熱器，這意味著在主機的狹小空間中有更多空間可用于電子設備。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的相對效率。

請記住，這兩種方法并不相互排斥。事實上，創(chuàng)新工程經常使用混合解決方案。

汽車音響電源也不例外。設計工程師將根據(jù)幾個關鍵考慮因素做出決定：主機的尺寸、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電設備的干擾。

表格1 比較了 AB 類和 D 類放大器的幾種組合的功耗值。

放大器基礎知識

要充分了解 D 類放大器的優(yōu)點和缺點，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備 在整個周期內連續(xù)導通。換句話說，偏置電流始終在輸出設備中流動。A 類放大器提供線性的輸出，因此產生的失真少。缺點是它們效率低下；它們的效率通常約為 20%。

* B 類放大器的輸出設備 傳導半個正弦周期（一個在正區(qū)，另一個在負區(qū)）。如果沒有輸入信號，則輸出設備中沒有電流。

B 類放大器在輸出功率下的效率為 78.5%。然而，一個設備關閉和另一個設備開啟之間的時間間隔會在交叉點產生線性問題。

* AB 類放大器 結合了這兩種類型。兩種設備在分頻點附近同時（盡管極少）導電。每個器件的導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 是開關或脈沖寬度調制 (PWM) 放大器。由于開關要么完全打開，要么完全關閉，輸出設備中的損耗大大降低。據(jù)報道，效率為 90-95%。

音頻信號用于調制驅動輸出設備的 PWM 載波信號。然而，由于 D 類放大器是切換器，它們會產生切換噪聲。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 類放大器是當今汽車音頻應用的標準，這是有充分理由的。該技術成熟且廣為人知，因此應用程序開發(fā)相對容易，不需要調整或重新設計。

大批量生產和多家 IC 制造商之間的激烈競爭使價格合理。BOM 成本進一步降低，因為 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比較。添加兩個通道可以獨立驅動低音揚聲器，限制門共振并使更高的聲音保真度成為可能。

將它們與 D 類放大器的初始產品進行比較時，AB 類放大器具有不產生 EMI 的固有優(yōu)勢。

AB 類放大器的缺點（50% 的工作效率導致相對較高的功耗和散熱）隨著音頻系統(tǒng)變得更加復雜而變得越來越重要。

音響主機的一個新缺點是 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 類放大器還可以設計為與 DSP 進行數(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。，D類可以集成到 60V 配電干線中。

六個聲道的

今天生產的大多數(shù)大容量汽車都有四個音頻聲道，可以為八個揚聲器供電。此外，放大器必須支持全音頻范圍，低音和中音揚聲器通常共享相同的通道和功率放大器。一種適應四通道配置的方法會在門內產生共振（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聲器通過兩個新通道獨立驅動至汽車前排座椅下方的揚聲器。消除門共振。更高的聲音保真度也是可能的，因為所有的揚聲器都沒有義務在整個頻率范圍內工作。

然而，正如任何汽車音響設計師都會告訴您的那樣，空間和散熱限制將主機的功耗限制在 20W。解決這個問題的傳統(tǒng)方法是將一些揚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)的復雜性和成本。

使用 D 類放大器提供了一種經濟高效的解決方案。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 類放大器通道將導致總功耗為 27W——比通常認為的音響主機的值多 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算，這很可能用于低音揚聲器。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 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幾乎不可能完成的任務。

在成本和質量目標之間永無休止的平衡過程中，設計工程師會發(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重要的領域以及（有點令人驚訝的）需要非常高功率輸出的應用中找到它們的初始位置。這些應用包括超過 90W 的系統(tǒng)，其中立體聲 D 類非常適合。然而，這些選項可能分為四類：

Premium： 8 至 22 個通道，由 AB 類和 D 類組合驅動，目標功率超過 28W/通道；
針對低功耗優(yōu)化的中音： 四到六個通道均由 D 類驅動，目標是大于 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 類放大器的組合驅動；
基本聲音：二至四聲道，所有 AB 驅動，目標小于 28W 聲道。

處理 EMI

汽車環(huán)境對 D 類應用來說極具挑戰(zhàn)性。必須應用具有 D 類放大器和汽車應用經驗的半導體供應商的所有知識和技能來設計出色的產品。

圖 3：在放大器開關晶體管之間的死區(qū)時間內，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，因為汽車設計需要它。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。實現(xiàn)這一目標的方法是使用負反饋回路。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。在設計層面，可以通過相位交錯、跳頻和 AD/BD 調制來減輕 EMI。

導致 EMI 的電流尖峰是由于放大器開關中晶體管之間的死區(qū)時間而產生的。在死區(qū)時間內，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) 技術是理想的，因為所有組件都被氧化物隔離。當輸出低于地電位時，器件襯底中不會積聚電荷，從而減少反向恢復時間，并且不會對其他組件造成串擾渠道。

( NXP 使用 SOI Advanced BipolarCMOS-DMOS (ABCD) 技術制造其 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，閂鎖可能會破壞設備。）

D 類放大器越來越多地進入汽車音頻應用，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%。