為車(chē)載音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇合適的功放方案

隨著汽車(chē)電子技術(shù)迅速發(fā)展，車(chē)載音頻系統(tǒng)也在不斷升級(jí)，以滿足消費(fèi)者對(duì)音頻體驗(yàn)的更高要求。例如，支持多種外加音源(諸如DVD、SD卡、藍(lán)牙、數(shù)字廣播等)；電臺(tái)接收效果更好；音效處理更加豐富，甚至要達(dá)到Dolby 5.1等家用音響的效果。(圖1)。同時(shí)，汽車(chē)廠商和設(shè)計(jì)公司又希望能夠縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，加速上市。所有這些都對(duì)車(chē)載功放產(chǎn)品提出更高要求。

圖1 主流車(chē)載音頻系統(tǒng)框圖

車(chē)載功放是車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)中不可缺少的一個(gè)功能模塊。其作用是將音頻輸入的信號(hào)進(jìn)行選擇與入處理，進(jìn)行功率放大，使電信號(hào)具有推動(dòng)音箱的能力。車(chē)載音頻系統(tǒng)對(duì)于功放多通道，高效率，低失真，智能化的要求，使功放模塊設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)功放的時(shí)候要面臨如下的技術(shù)挑戰(zhàn)：如何在有限的散熱空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)大功率，多通道輸出；如何監(jiān)控功放芯片本身的工作狀態(tài)，保證功放芯片在過(guò)溫，過(guò)壓，過(guò)流情況下不受損害；選擇怎樣的濾波電路，使功放模塊通過(guò)EMI檢測(cè)，不干擾其他模塊工作，尤其是不對(duì)收音模塊產(chǎn)生干擾。

車(chē)載功放技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

功放按工作原理分為A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)、D類(lèi)，下面先簡(jiǎn)要分析這幾類(lèi)功放在車(chē)載音頻系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

A類(lèi)是一種完全的線性放大器。在A類(lèi)功率放大器工作時(shí)，晶體管的正負(fù)通道不論有或沒(méi)有信號(hào)都處于常開(kāi)狀態(tài)，這就意味著更多的功率消耗為熱量。A類(lèi)功率放大器的效率非常低，通常只有20-30%，因此在汽車(chē)音響的應(yīng)用中比較少見(jiàn)，像意大利的Sinfoni高級(jí)系列才有這類(lèi)功率放大器。但是A類(lèi)功放也有顯著優(yōu)勢(shì)，例如失真最?。o(wú)交越失真和開(kāi)關(guān)失真）、保真度高、聲音表現(xiàn)很好，所以深受音響發(fā)燒友青睞。

B類(lèi)也被稱為線性放大器，但是它的工作原理與A類(lèi)功放完全不同。B類(lèi)功放在工作時(shí)，晶體管的正負(fù)通道通常是處于關(guān)閉狀態(tài)，除非有信號(hào)輸入。而且兩個(gè)通道不會(huì)同時(shí)工作，因此在沒(méi)有信號(hào)的部分，完全沒(méi)有功率損失。但是在正負(fù)通道開(kāi)啟關(guān)閉的時(shí)候，常常會(huì)產(chǎn)生交越失真，特別是在低電平的情況下，所以B類(lèi)功放不是真正意義上的高保真功率放大器。但是由于B類(lèi)功放效率比較高，因而在早期許多汽車(chē)音響系統(tǒng)還是采用這類(lèi)產(chǎn)品。

AB類(lèi)是兼具A類(lèi)與B類(lèi)功放優(yōu)勢(shì)的一種設(shè)計(jì)。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)或信號(hào)非常小時(shí)，晶體管的正負(fù)通道都常開(kāi)，這時(shí)功率有所損耗，但沒(méi)有A類(lèi)嚴(yán)重。當(dāng)信號(hào)是正相時(shí)，負(fù)相通道在信號(hào)變強(qiáng)前還是常開(kāi)的，但信號(hào)轉(zhuǎn)強(qiáng)則負(fù)通道關(guān)閉。當(dāng)信號(hào)是負(fù)相時(shí)，正負(fù)通道的工作剛好相反。AB類(lèi)功放的主要缺陷在于會(huì)產(chǎn)生交越失真，但是在效率比以及保真度方面，還是優(yōu)于A類(lèi)和B類(lèi)功放，因而AB類(lèi)功放成為目前汽車(chē)音響中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)計(jì)方案。

D類(lèi)放大器與上述A，B或AB類(lèi)放大器不同，其工作原理基于開(kāi)關(guān)晶體管，可在極短的時(shí)間內(nèi)完全導(dǎo)通或完全截止。兩只晶體管不會(huì)在同一時(shí)刻導(dǎo)通，因此產(chǎn)生的熱量很少。這種類(lèi)型的放大器效率極高(90%左右)，在理想情況下可達(dá)100%，而相比之下AB類(lèi)放大器僅能達(dá)到78.5%。不過(guò)另一方面，開(kāi)關(guān)工作模式也增加了輸出信號(hào)的失真。

隨著車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)功放部分的要求也越來(lái)越高：大功率、高效率（低散熱）、多通道、高保真、智能診斷及保護(hù)功能。傳統(tǒng)的AB 類(lèi)功放已經(jīng)很難滿足這些要求，所以功放的發(fā)展趨勢(shì)是在D類(lèi)功放的基礎(chǔ)上，改善EMC性能、降低失真度，并支持?jǐn)?shù)字音源輸入。

新興的全數(shù)字音頻放大器對(duì)數(shù)字音源輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行直接處理和放大，可以方便地實(shí)現(xiàn)高保真、高效率和低成本的音頻放大器，因而可以為數(shù)字音源、音頻處理和功率放大的整合設(shè)計(jì)提供了完整的端到端數(shù)字解決方案。

典型方案介紹

針對(duì)不同的車(chē)載應(yīng)用需求，恩智浦開(kāi)發(fā)出多種車(chē)載功率放大器。產(chǎn)品系列豐富、功能完備、性能突出。例如，從單通道、雙通道到四通道，能滿足驅(qū)動(dòng)多路負(fù)載的需要；功率范圍從1W到130W，可滿足各種負(fù)載的驅(qū)動(dòng)要求；智能診斷及保護(hù)機(jī)制，既能給功放芯片提供過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、交叉短路及對(duì)地、對(duì)電源短路的保護(hù)機(jī)制，又能把功放工作狀態(tài)通過(guò)診斷管腳或者I2C通信反饋到MCU。

IPAS方案

集成功放和穩(wěn)壓器(IPAS)方案實(shí)現(xiàn)了在一顆IC上集成高功率放大器和多路電壓輸出調(diào)節(jié)器，能夠有效縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、降低系統(tǒng)成本。例如，恩智浦的TDA8588是一個(gè)由I2C總線控制的多路電壓輸出調(diào)節(jié)器和四通道ＢＴＬ音頻放大器（４×５０Ｗ）。通過(guò)I2C總線，能讀出每個(gè)放大器通道的工作狀態(tài)。由于能輸出大功率，并提供穩(wěn)定的電壓輸出，對(duì)于車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，TDA8588是一個(gè)完整、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

低功耗、高效D類(lèi)功放方案

現(xiàn)在的車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)擁有越來(lái)越多的揚(yáng)聲器，更多的通道意味著更大的功耗和更高的溫度。但車(chē)載娛樂(lè)模塊的體積有限，不能支持更大的散熱片，所以需要使用更高效的D類(lèi)功放。

為此，恩智浦開(kāi)發(fā)出低功耗高效車(chē)載D類(lèi)功放TDF859X系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品基于絕緣體硅片（SOI）處理功能和具有專利技術(shù)的零死區(qū)時(shí)間技術(shù)，具備卓越的EMC性能以及智能診斷及保護(hù)功能。

其中TDF8599TH是具有診斷特征的I2C總線控制雙通道Ｄ類(lèi)功放。TDF8599TH工作模式分為I2C和NON-I2C兩種模式，可以通過(guò)I2C總線檢測(cè)負(fù)載工作狀態(tài)和故障診斷。

為了滿足車(chē)載娛樂(lè)多路揚(yáng)聲器的需要，TDF8599TH能實(shí)現(xiàn)多片協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)多路輸出。(圖2)一片TDF8599TH作為主芯片，其他作為從芯片，并共享主芯片的時(shí)鐘。恩智浦提供完整的TDF8599TH應(yīng)用參考設(shè)計(jì)，在這里我們簡(jiǎn)要說(shuō)明參考設(shè)計(jì)各部分的注意事項(xiàng)。

圖2 TDF8599的主從工作模式。

圖3中，通過(guò)推薦的電感濾波器，在Vp1，Vp2的電源輸入處消除噪聲。音頻輸入部分無(wú)特殊要求，只要根據(jù)參考設(shè)計(jì)中推薦數(shù)值進(jìn)行匹配。ADS管腳是控制硬件地址選擇，通過(guò)不通的電阻值來(lái)對(duì)應(yīng)不同的I2C地址，在NON-I2C 模式下可以直接接地。MOD管腳是控制功放不同的輸出模式，在I2C控制模式下有立體聲模式和平行模式，在NON-I2C模式下有AD或BD模式，并控制從芯片是否有90度相移。CLIP和DIAG管腳是失真檢測(cè)和診斷輸出，通過(guò)5V上拉，在高電平輸出情況下表示工作正常，低電平表示有失真或故障。在音頻輸出部分，通過(guò)兩級(jí)濾波，可實(shí)現(xiàn)較好的EMC性能。

圖3　TDF8599TH 芯片結(jié)構(gòu)圖。

本文小結(jié)

車(chē)載音頻領(lǐng)域的技術(shù)革新持續(xù)發(fā)展，數(shù)字廣播、后座娛樂(lè)、無(wú)線連接等新功能的涌現(xiàn)，要求車(chē)載功放產(chǎn)品相應(yīng)加速更新?lián)Q代，從傳統(tǒng)AB類(lèi)功放到D類(lèi)功放，以及下一代數(shù)字功放，車(chē)載功放產(chǎn)品在輸出功率、智能控制及診斷功能等方面不斷完善，以滿足現(xiàn)有及未來(lái)市場(chǎng)需求。