更大限度减小放大器尺寸和降低热负荷的汽车音频设计注意事项

德州仪器 发表于 2019-12-09 10:08:02 收藏 已收藏
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更大限度减小放大器尺寸和降低热负荷的汽车音频设计注意事项

德州仪器 发表于 2019-12-09 10:08:02
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集成在信息娱乐系统中的音频解决方案可能有所不同,有典型的四音频通道(两个音箱在前,两个音箱在后),也有无需外部放大器即可驱动6或8个总扬声器的新型解决方案。

这些信息娱乐系统中的高通道数系统可能集成:

• 中置音箱。

• 独立高频音箱/中音音箱/低音音箱。

• 仪表盘警报声或提示音。

• 其他可以传递信息的音箱,如警告驾驶员在车辆处于半自动驾驶模式时控制方向盘或刹车。

一些高端汽车模型实际上可能有多达20个音箱。这些音频系统中的音箱由通常安装在汽车后备箱附近的外部放大器驱动。这些音频系统还包括更先进的声音算法,如可以提供更加个性化音响体验的主动降噪技术。

在随后的每一个车型年,汽车制造商正在增加越来越多的电子器件。再加上需要直接从信息娱乐系统驱动6到8个音箱,仪表盘后面的空间现在是前所未有的出色。因此,音频硬件的设计师应首先开发散热更低的小型汽车音频放大器解决方案。在本文中,我将描述驱动整体音频放大器的四个因素:

• 效率/热性能。

• 开关频率。

• 电感器尺寸。

• 包装设计。

  效率/热性能

•传统上,设计人员使用AB类线性音频放大器来设计汽车收音机。AB类线性放大技术远没有新的、但相当成熟的D类交换技术高效。图1突出了其差别。

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图1.D 类 和 AB 类 效 率

AB类效率损失直接导致内部产生额外热量,然后需要在音频放大器外部进行散热。由于AB类设计需要更大的散热器,这也使持续减小整个汽车音频放大器系统解决方案尺寸变得更加困难。

D类放大器能够获得相同的输出功率,但散热显著减少,这使得设计人员能够使用更小、更简单的散热器将散热量传输到周围环境中。

  开关频率

安装在仪表盘后面相对狭小空间内的电子器件数量增加了电路可以近距离发射干扰信号的可能性。更重要的是,现代收音机和音频放大器必须在AM波段中提供更好的抗电磁干扰性能(EMI),以应对这些挑战。

美国AM广播电台的波段范围为535-kHz至1705-kHz。现有的D类音频放大器设计通常在400 kHz至500 kHz范围内以基本开关频率运行。这些低开关频率D类放大器设计直接在AM波段内产生谐波,如图2所示。

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图 2 。 典 型 400-kHz D 类 放 大 器 谐 波

谐波会产生降低AM接收器灵敏度的干扰信号,从而妨碍AM广播电台接收。在D类放大器设计上运用AM避免技术能够减轻这些谐波的影响。

D类音频放大器需要重建滤波器将放大器输出的脉冲宽度调制(PWM)信号转换为所需的模拟音频信号。这些输出滤波器由电感器(L)和电容器(C)构成(如图3所示),用于典型的桥接负载(BTL)放大器电路,且能够更大限度地减少D类放大器输出级上的高速开关瞬态电磁干扰。

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图 3. D 类 放 大 器 BTL 电 路

在2.1-MHz开关频率下运行的汽车D类音频放大器在AM波段上方提供显著裕度,如图4所示。此设计不存在任何会干扰AM波段的低频尖峰,因而不再需要AM避免技术。

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图 4. 2.1-Mhz高 开 关 频 率

另一个好处是,由于纹波电流的内在减少,2.1-MHz开关频率可以使输出滤波器的电感值更低。等效额定电流的低电感会导致电感较小,从而减少印刷电路板(PCB)面积,且随后减少EMI占用面积。

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  电感器尺寸

对于D类汽车音频放大器,LC滤波器所需的电感值(用以确保合适PWM解调滤波器特性)取决于开关频率。如图5所示,400-kHz汽车音频放大器通常使用10-μH或8.2-μH电感值,而2.1-MHz高开关频率放大器设计可以利用3.3μH至3.6μH范围内更小更轻的电感器(假设每个放大器提供相同的输出功率)。

正如之前提到的,典型汽车收音机设计至少有4个通道来驱动2个前端扬声器和2个后端扬声器。这种简单的配置需要8个电感器以用于D类汽车音频放大器,因为每个通道需要2个电感器,如图3所示。因此,每个电感器的尺寸乘以8,对整体PCB尺寸和设计重量有着重要的影响。一般来说,从8.2-μH电感器转换到3.3-μH电感器可以节省电路板上85%以上的电感器空间和减小85%以上的重量。

  包装设计

另一个能够大大减小汽车信息娱乐系统中整体系统解决方案尺寸的音频放大器注意事项是放大器包装的设计。

正方形包装设计在包装底部有输入,还有两个音频输出,且LC滤波器正交放置在放大器的一侧。如图6所示,这种类型的包装设计大大增加了整个PCB的占用面积。

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图 6.正方形4通道音频放大器包装设计

带有“流式”音频信号设计的正方形包装是更好的选择。图7说明了模拟输入信号如何进入芯片一侧的放大器;音频信号的放大发生在放大器的另一侧,信号随后被传送到外部输出滤波器中。

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图 7.直 流 4通 道 音 频 放 大 器 包 装 设 计

TPA6304-Q1音频放大器使用具有TI Burr-Brown™技术的2.1-MHz高开关频率D类放大器技术。TPA6304-Q1通过结合3.3-μH金属合金电感器和直流包装设计,可以提供一个尺寸只有17 mm x 16 mm的4通道汽车D类放大器解决方案。见图8。

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图 8. TPA6304-Q1 4通 道D类 放 大 器 解 决 方 案

TPA6304-Q1(包括用于整体系统解决方案的所有无源电子元件)比传统的AB类放大器还要小,如图9所示。

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图 9.TPA6304-Q1 D类放大器解决方案与AB类放大器的尺寸比较

  结论

汽车上安装的电子器件越多,仪表盘后狭小空间内的整体热量就越来越高。因此,汽车音频硬件设计人员面临的挑战是实现更小、散热更低的音频解决方案。音频放大器的效率只会在未来的信息娱乐系统设计中变得更加重要。

TPA6304-Q1可轻易取代AB类汽车音频放大器。TPA6304-Q1的2.1-MHz开关频率和小型系统解决方案尺寸可以让你以AB类系统成本实现D类效率。

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