羅姆發(fā)布面向下一代汽車駕駛艙的解決方案白皮書

前言

除了汽車收音機(jī)和汽車音響外，車內(nèi)外還會(huì)發(fā)出各種聲音。例如，開啟轉(zhuǎn)向指示燈，汽車會(huì)發(fā)出“滴答、滴答”的轉(zhuǎn)向提示音。另外，啟動(dòng)用來避免發(fā)生撞擊的制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)響起警告音，這是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的功能之一。近來，xEV等電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車，都配備當(dāng)行人靠近車輛時(shí)的聲學(xué)車輛警示系統(tǒng)（AVAS）。除此之外，汽車還會(huì)發(fā)出其他的各種語音，如啟動(dòng)引擎時(shí)的歡迎語、ETC的提示音等。

上面提到的轉(zhuǎn)向提示音，以前聽到的是機(jī)械繼電器的切換聲，但實(shí)現(xiàn)電子化之后，即使不用繼電器，也會(huì)有聲音從揚(yáng)聲器中傳出。這只是我們從聲音中獲取重要信息的一個(gè)例子，未來，隨著AI或自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，對(duì)人與汽車之間的雙向交流會(huì)有更高的要求，因此，聲音作為促進(jìn)雙向交流的工具之一，其存在感應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步增加。

圖1 多功能車載儀表盤所需的各種聲音

1   揚(yáng)聲器系統(tǒng)的組成

輸出上述ADAS和AVAS語音的系統(tǒng)，大致分為使用蜂鳴器的系統(tǒng)和使用揚(yáng)聲器的系統(tǒng)。前者雖然成本很低，但可播放的頻率有限。而后者與音頻設(shè)備一樣，可在更寬的頻段播放。很長一段時(shí)間以來，駕駛艙周圍只需要轉(zhuǎn)向提示音和蜂鳴聲就足夠了，不需要多樣化的語音。但現(xiàn)在，由于駕駛艙周圍所需要的語音呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，導(dǎo)致出現(xiàn)沒有揚(yáng)聲器就無法配置系統(tǒng)的局面。

因此，揚(yáng)聲器放大器IC就變得必不可少。揚(yáng)聲器放大器IC是用于放大SoC(System On a Chip)等輸出的語音信號(hào)，使電流流向揚(yáng)聲器來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的IC。語音信號(hào)格式有兩種，一種是輸入正弦波等模擬信號(hào)的模擬輸入型，另一種是使用I2S等數(shù)字音頻格式的數(shù)字輸入型，需要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)區(qū)分使用。另外，揚(yáng)聲器放大器IC的輸出方式大致分為AB類放大器和D類放大器，雖然AB類放大器的功率轉(zhuǎn)換效率較低，且IC發(fā)熱較嚴(yán)重，但具有不會(huì)產(chǎn)生不必要的輻射的優(yōu)點(diǎn)。而D類放大器，雖然功率轉(zhuǎn)換效率高，且IC發(fā)熱量少，但會(huì)產(chǎn)生不必要的輻射，故需要在輸出端配置LC濾波器。因此通常在容許的發(fā)熱量范圍內(nèi)，采用AB類放大器；在需較大輸出功率且不容許發(fā)熱時(shí)，采用D類放大器。

圖2 過電流保護(hù)電路的波形示意圖

2   揚(yáng)聲器放大器的課題

無論采用何種輸出方式，車載揚(yáng)聲器放大器都需具有高可靠性，且兼具大功率輸出（音量大）和安全性。可靠性的重要性是毋庸置疑的，但大功率輸出與安全性之間是此消彼長的關(guān)系，兩者兼具的難度非常大。要實(shí)現(xiàn)大功率輸出，就需要使大電流流向揚(yáng)聲器，也就相當(dāng)于加大IC的輸出晶體管尺寸。但若輸出晶體管尺寸變大，例如在揚(yáng)聲器發(fā)生故障出現(xiàn)短路時(shí)，輸出引腳間就可能有大量電流流過。在某些情況下甚至?xí)p壞IC，進(jìn)而影響汽車的安全性。為防止這一情況的發(fā)生，有必要在IC上搭載過電流保護(hù)電路，傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器放大器IC采用的是限制負(fù)載電流的方式。但采用這種方法時(shí)，必須將過電流保護(hù)電路的工作閾值設(shè)置為小于可輸出的最大電流的值，如圖2所示。因此存在最大輸出功率受限，且在大功率輸出時(shí)發(fā)生波形（聲音）失真的問題。

圖3 車載儀表盤用搭載過電流保護(hù)功能的揚(yáng)聲器放大器輸出功率比較

3   ROHM的新產(chǎn)品“BD783xxEFJ-M”

ROHM開發(fā)出兼具大功率輸出與安全性，完美解決這一問題的車載儀表盤用揚(yáng)聲器放大器“BD783xxEFJ-M”。該系列產(chǎn)品以儀表盤中需求最多的5V電源運(yùn)行、且輸出功率1～2W為主要目標(biāo)，輸入方式采用了模擬輸入，輸出方式采用了元器件數(shù)量較少的AB類。該系列產(chǎn)品具備如下所示的三大優(yōu)勢(shì)。

3-1.  具有過電流保護(hù)功能，且實(shí)現(xiàn)了2.8W大功率輸出

新產(chǎn)品“BD783xxEFJ-M”采用新研發(fā)的過電流保護(hù)電路，兼顧了大功率輸出與安全性。在電源電壓5V、負(fù)載4Ω的條件下，輸出功率可達(dá)2.8W（THD+N<10％），并且其保護(hù)功能可防止揚(yáng)聲器引腳輸出短路引發(fā)的故障。

通常，AB類放大器的過電流保護(hù)電路多使用“限流器電路”，如上所述，通過限制輸出電流，雖然可防止過電流的流出，但也限制了輸出功率。要想不限制輸出功率并保護(hù)產(chǎn)品免受過電流影響，就需要采用“峰值電流保護(hù)電路”，正如字面意思所示，這是一種檢測峰值電流并停止輸出的機(jī)制。在輸出電流超過最大電流時(shí)，可采用這一方式檢測電流，但在輸出的偏置電壓較低的情況下，如啟動(dòng)時(shí)或欠壓時(shí)，即使輸出短路，輸出電流的最大值也不會(huì)超過閾值，因此保護(hù)電路不會(huì)工作。因此，峰值電流保護(hù)電路的缺點(diǎn)就是IC發(fā)熱溫度高于芯片結(jié)溫，最糟糕時(shí)甚至?xí)p壞芯片。也就是說，如果采用限流電路，會(huì)導(dǎo)致聲音失真；如果采用峰值電流保護(hù)電路，則存在無法保護(hù)的情況。

為解決這一問題，ROHM研究并設(shè)計(jì)出綜合了這兩種電路優(yōu)勢(shì)的新型過電流保護(hù)電路（專利申請(qǐng)中）。該技術(shù)在啟動(dòng)時(shí)或欠壓時(shí)等不需要輸出大功率的情況下，會(huì)啟動(dòng)限流電路，以防止IC發(fā)熱；在正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換為峰值電流保護(hù)。這是一種綜合具備兩種保護(hù)電路優(yōu)點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)大功率輸出的技術(shù)。

新產(chǎn)品“BD783xxEFJ-M”搭載了這一新型過電流保護(hù)電路，可切實(shí)保護(hù)IC免受負(fù)載短路影響，且在輸出大功率時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)失真的情況。

3-2.  可靠性高，支持車載應(yīng)用中的嚴(yán)苛環(huán)境

新產(chǎn)品符合汽車電子產(chǎn)品可靠性標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100，支持工作溫度達(dá) Ta=105℃，因此在追求高可靠性的車載應(yīng)用領(lǐng)域中也可放心使用。該系列產(chǎn)品采用功率封裝（HTSOP-J8），在通常發(fā)熱量較大的AB類放大器中，即使在105℃的工作溫度條件下也可實(shí)現(xiàn)大功率輸出。該封裝雖然是引線框架型封裝，尺寸較小，僅為4.9mm×6.0mm×1.0mm，但在使用4層電路板時(shí)（依據(jù)JEDEC51-5,7標(biāo)準(zhǔn)）的θJA僅為45.2℃/W，散熱性能非常出色。采用該封裝，相較于ROHM以往的產(chǎn)品，芯片溫升降低了80%（條件：VCC=5V, RL=8Ω, THD<10%），即使是在Ta=105℃的嚴(yán)苛條件下，也能在不損害功能的前提下輸出語音，這是以往的封裝無法實(shí)現(xiàn)的。另外，在功能方面，為了提高其可靠性，除過電流保護(hù)電路之外，還搭載了其他保護(hù)電路。在出現(xiàn)異常發(fā)熱時(shí)，通過溫度保護(hù)功能，可防止IC受到損壞；在蓄電池瞬斷時(shí)，通過欠壓保護(hù)功能，可防止產(chǎn)生意外的POP噪聲。因此，該系列產(chǎn)品有助于構(gòu)建一個(gè)可適用于各種環(huán)境的強(qiáng)健系統(tǒng)。

3-3.　通過內(nèi)置電阻，減少元器件數(shù)量

在該輸出范圍的AB類放大器中，設(shè)置音量時(shí)用于調(diào)整信號(hào)增益的輸入電阻和反饋電阻通常是外置的。新產(chǎn)品通過將該電阻內(nèi)置，減少了元器件數(shù)量，縮小了印刷電路板的安裝面積。另外，該系列產(chǎn)品共有11款機(jī)型，增益范圍為6dB～26dB（以2dB為增量），可進(jìn)行精細(xì)的增益調(diào)整。僅在頻繁調(diào)整增益的樣品評(píng)估時(shí)，才會(huì)使用26dB的產(chǎn)品“BD78326EFJ-M”，通過在各輸入引腳添加評(píng)估用的電阻，無需更換IC就可以輕松進(jìn)行評(píng)估，即使內(nèi)置電阻，也不會(huì)增加設(shè)計(jì)工時(shí)。目前6dB、10dB、26dB機(jī)型已經(jīng)開始量產(chǎn)，其他產(chǎn)品也將陸續(xù)發(fā)布。

圖4 符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)且具備各種保護(hù)功能的“BD783xxEFJ-M”

4 未來發(fā)展趨勢(shì)

正如本文開頭所述，駕駛艙周圍的語音多功能化已經(jīng)成為必然需求，未來隨著CASE（Connected, Autonomous, Shared, Electric）時(shí)代的到來，預(yù)計(jì)這一需求將會(huì)進(jìn)一步增長，而且還會(huì)有更大功率輸出需求。此外，在車內(nèi)布局方面，傳統(tǒng)的駕駛艙和車載音響之間的界限將會(huì)消失，語音的使用方式也將變得更加多元化。

為了滿足這些需求，ROHM需要不斷擴(kuò)充揚(yáng)聲器放大器的產(chǎn)品陣容。本次推出的BD783xxEFJ-M是車載AB類揚(yáng)聲器放大器，目前ROHM還正在開發(fā)車載D類揚(yáng)聲器放大器。BD783xxEFJ-M的目標(biāo)應(yīng)用產(chǎn)品的電源電壓在5V以下，下一款車載D類揚(yáng)聲器放大器產(chǎn)品將支持與12V電池連接，并可實(shí)現(xiàn)4W以上的大輸出功率。對(duì)于支持12V電源的車載級(jí)揚(yáng)聲器放大器IC來說，雖然目前的主流產(chǎn)品是AB類放大器，但隨著駕駛艙和車頭單元用的ECU（Electric Control Unit）對(duì)節(jié)省空間的要求越來越高，散熱用散熱器正在成為技術(shù)瓶頸。為解決這一瓶頸問題，ROHM通過在揚(yáng)聲器放大器中采用D類放大器系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)小型化做出了很大貢獻(xiàn)。

作為第一波車載D類揚(yáng)聲器放大器，與BD783xxEFJ-M一樣，產(chǎn)品陣容中除了模擬輸入型外，還計(jì)劃推出數(shù)字輸入型和多通道型等共4款產(chǎn)品，以滿足各種應(yīng)用產(chǎn)品的需求。例如，數(shù)字輸入型支持TDM（Time Division Multiplexing）格式。在1個(gè)系統(tǒng)中最多可連接8通道揚(yáng)聲器，可增加應(yīng)用設(shè)計(jì)的可選項(xiàng)，提高應(yīng)用設(shè)計(jì)的靈活性。

第二波車載D類揚(yáng)聲器放大器計(jì)劃于2021年出售樣品，未來，ROHM將繼續(xù)致力于車載揚(yáng)聲器放大器IC的開發(fā)，為提高汽車的安全性和舒適性貢獻(xiàn)力量。