一種應(yīng)用于汽車的D類放大器設(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類音訊放大器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將可滿足汽車音響設(shè)計(jì)特殊挑戰(zhàn)。對(duì)車用資訊和資訊娛樂(lè)系統(tǒng)而言，其功能和子系統(tǒng)的不斷增多，對(duì)車前部和車身的音響功率預(yù)算要求已達(dá)極限。汽車音響設(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類放大器可能是最佳選擇。
　　特別是對(duì)高階汽車來(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類音訊放大器的討論成為音響設(shè)計(jì)師之間的熱門話題。
　　D類音訊的效率可高達(dá)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(yōu)異音質(zhì)的同時(shí)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(jié)省空間，以安放更多的電子系統(tǒng)。但D類比AB類放大器要貴得多，并需要專門的設(shè)計(jì)考慮。
　　圖1顯示的是在輸出功率范圍內(nèi)，AB類放大器（圖1a）和D類音訊放大器（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類放大器具有最好的線性輸出、失真最小。但缺點(diǎn)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(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)生線性問(wèn)題。
　　AB類放大器是上述兩種類型的組合。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類放大器設(shè)計(jì)非線性問(wèn)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(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類和AB類放大器比較
　　AB類放大器是目前汽車音響應(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類放大器價(jià)格趨於合理。由於AB類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類音訊放大器相較時(shí)，AB類放大器具有不產(chǎn)生電磁干擾（EMI）的優(yōu)勢(shì)。
　　AB類放大器的缺點(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)，在車前單元的應(yīng)用中，AB類放大器又引發(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類放大器產(chǎn)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(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)類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器的成本（AB類放大器有一個(gè)基本的類比連接；但將D類音訊放大器稱為‘數(shù)位’放大并不恰當(dāng)。）最後，D類音訊放大器可整合到60V的電源線路之中。