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          更大限度減小放大器尺寸和降低熱負荷的汽車音頻設(shè)計注意事項

          作者:德州儀器(TI) 產(chǎn)品市場 Gregg Burke 時間:2019-12-06 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          集成在信息娛樂系統(tǒng)中的解決方案可能有所不同,有典型的四通道(兩個音箱在前,兩個音箱在后),也有無需外部即可驅(qū)動6或8個總揚聲器的新型解決方案。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201912/407912.htm

          這些信息娛樂系統(tǒng)中的高通道數(shù)系統(tǒng)可能集成:

          ?        中置音箱。

          ?        獨立高頻音箱/中音音箱/低音音箱。

          ?        儀表盤警報聲或提示音。

          ?        其他可以傳遞信息的音箱,如警告駕駛員在車輛處于半自動駕駛模式時控制方向盤或剎車。

          一些高端模型實際上可能有多達20個音箱。這些系統(tǒng)中的音箱由通常安裝在后備箱附近的外部驅(qū)動。這些音頻系統(tǒng)還包括更先進的聲音算法,如可以提供更加個性化音響體驗的主動降噪技術(shù)。

          在隨后的每一個車型年,制造商正在增加越來越多的電子器件。再加上需要直接從信息娛樂系統(tǒng)驅(qū)動6到8個音箱,儀表盤后面的空間現(xiàn)在是前所未有的出色。因此,音頻硬件的設(shè)計師應(yīng)首先開發(fā)散熱更低的小型汽車音頻解決方案。在本文中,我將描述驅(qū)動整體音頻放大器的四個因素:

          ?        效率/熱性能。

          ?        開關(guān)頻率。

          ?        電感器尺寸。

          ?        包裝設(shè)計。

          效率/熱性能

          ?        傳統(tǒng)上,設(shè)計人員使用AB類線性音頻放大器來設(shè)計汽車收音機。AB類線性放大技術(shù)遠沒有新的、但相當成熟的D類交換技術(shù)高效。圖1突出了其差別。

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          圖1.類 和 AB 類 效 率

          AB類效率損失直接導致內(nèi)部產(chǎn)生額外熱量,然后需要在音頻放大器外部進行散熱。由于AB類設(shè)計需要更大的散熱器,這也使持續(xù)減小整個汽車音頻放大器系統(tǒng)解決方案尺寸變得更加困難。

          D類放大器能夠獲得相同的輸出功率,但散熱顯著減少,這使得設(shè)計人員能夠使用更小、更簡單的散熱器將散熱量傳輸?shù)街車h(huán)境中。

          開關(guān)頻率

          安裝在儀表盤后面相對狹小空間內(nèi)的電子器件數(shù)量增加了電路可以近距離發(fā)射干擾信號的可能性。更重要的是,現(xiàn)代收音機和音頻放大器必須在AM波段中提供更好的抗電磁干擾性能(EMI),以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

          美國AM廣播電臺的波段范圍為535 kHz至1705 kHz。現(xiàn)有的D類音頻放大器設(shè)計通常在400 kHz至500 kHz范圍內(nèi)以基本開關(guān)頻率運行。這些低開關(guān)頻率D類放大器設(shè)計直接在AM波段內(nèi)產(chǎn)生諧波,如圖2所示。

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          圖 2 . 典 型 400 kHz D 類 放 大 器 諧 波

          諧波會產(chǎn)生降低AM接收器靈敏度的干擾信號,從而妨礙AM廣播電臺接收。在D類放大器設(shè)計上運用AM避免技術(shù)能夠減輕這些諧波的影響。

          D類音頻放大器需要重建濾波器將放大器輸出的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號轉(zhuǎn)換為所需的模擬音頻信號。這些輸出濾波器由電感器(L)和電容器(C)構(gòu)成(如圖3所示),用于典型的橋接負載(BTL)放大器電路,且能夠更大限度地減少D類放大器輸出級上的高速開關(guān)瞬態(tài)電磁干擾。

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          圖 3. D 類 放 大 器 BTL 電 路

          在2.1 MHz開關(guān)頻率下運行的汽車D類音頻放大器在AM波段上方提供顯著裕度,如圖4所示。此設(shè)計不存在任何會干擾AM波段的低頻尖峰,因而不再需要AM避免技術(shù)。

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          圖 4. 2.1 MHz高 開 關(guān) 頻 率

          另一個好處是,由于紋波電流的內(nèi)在減少,2.1 MHz開關(guān)頻率可以使輸出濾波器的電感值更低。等效額定電流的低電感會導致電感較小,從而減少印刷電路板(PCB)面積,且隨后減少EMI占用面積。

          image.png 

          電感器尺寸

          對于D類汽車音頻放大器,LC濾波器所需的電感值(用以確保合適PWM解調(diào)濾波器特性)取決于開關(guān)頻率。如圖5所示,400 kHz汽車音頻放大器通常使用10 μH或8.2 μH電感值,而2.1 MHz高開關(guān)頻率放大器設(shè)計可以利用3.3 μH至3.6 μH范圍內(nèi)更小更輕的電感器(假設(shè)每個放大器提供相同的輸出功率)。

          正如之前提到的,典型汽車收音機設(shè)計至少有4個通道來驅(qū)動2個前端揚聲器和2個后端揚聲器。這種簡單的配置需要8個電感器以用于D類汽車音頻放大器,因為每個通道需要2個電感器,如圖3所示。因此,每個電感器的尺寸乘以8,對整體PCB尺寸和設(shè)計重量有著重要的影響。一般來說,從8.2 μH電感器轉(zhuǎn)換到3.3 μH電感器可以節(jié)省電路板上85%以上的電感器空間和減小85%以上的重量。

          包裝設(shè)計

          另一個能夠大大減小汽車信息娛樂系統(tǒng)中整體系統(tǒng)解決方案尺寸的音頻放大器注意事項是放大器包裝的設(shè)計。

          正方形包裝設(shè)計在包裝底部有輸入,還有兩個音頻輸出,且LC濾波器正交放置在放大器的一側(cè)。如圖6所示,這種類型的包裝設(shè)計大大增加了整個PCB的占用面積。

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          圖 6.正方形4通道音頻放大器包裝設(shè)計

          帶有“流式”音頻信號設(shè)計的正方形包裝是更好的選擇。圖7說明了模擬輸入信號如何進入芯片一側(cè)的放大器;音頻信號的放大發(fā)生在放大器的另一側(cè),信號隨后被傳送到外部輸出濾波器中。

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          圖 7.直 流 4通 道 音 頻 放 大 器 包 裝 設(shè) 計

          TPA6304-Q1音頻放大器使用具有TI Burr-Brown?技術(shù)的2.1 MHz高開關(guān)頻率D類放大器技術(shù)。TPA6304-Q1通過結(jié)合3.3 μH金屬合金電感器和直流包裝設(shè)計,可以提供一個尺寸只有17 mm x 16 mm的4通道汽車D類放大器解決方案。見圖8。

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          圖 8. TPA6304-Q1 4通 道D類 放 大 器 解 決 方 案

          TPA6304-Q1(包括用于整體系統(tǒng)解決方案的所有無源電子元件)比傳統(tǒng)的AB類放大器還要小,如圖9所示。

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          圖 9.TPA6304-Q1 D類放大器解決方案與AB類放大器的尺寸比較

          結(jié)論

          汽車上安裝的電子器件越多,儀表盤后狹小空間內(nèi)的整體熱量就越來越高。因此,汽車音頻硬件設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)更小、散熱更低的音頻解決方案。音頻放大器的效率只會在未來的信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計中變得更加重要。

          TPA6304-Q1可輕易取代AB類汽車音頻放大器。TPA6304-Q1的2.1 MHz開關(guān)頻率和小型系統(tǒng)解決方案尺寸可以讓你以AB類系統(tǒng)成本實現(xiàn)D類效率。



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