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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計注意事項

本文作者：Gregg Burke 點擊： 2019-12-06 12:16

前言：

集成在信息娛樂系統中的音頻解決方案可能有所不同，有典型的四音頻通道（兩個音箱在前，兩個音箱在后），也有無需外部放大器即可驅動6或8個總揚聲器的新型解決方案。

這些信息娛樂系統中的高通道數系統可能集成：
• 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。

一些高端汽車模型實際上可能有多達20個音箱。這些音頻系統中的音箱由通常安裝在汽車后備箱附近的外部放大器驅動。這些音頻系統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。

在隨后的每一個車型年，汽車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驅動6到8個音箱，儀表盤后面的空間現在是前所未有的出色。因此，音頻硬件的設計師應首先開發散熱更低的小型汽車音頻放大器解決方案。在本文中，我將描述驅動整體音頻放大器的四個因素：
• 效率/熱性能。
• 開關頻率。
• 電感器尺寸。
• 包裝設計。

效率/熱性能
傳統上，設計人員使用AB類線性音頻放大器來設計汽車收音機。AB類線性放大技術遠沒有新的、但相當成熟的D類交換技術高效。圖1突出了其差別。

圖1.D類和AB類效率

AB類效率損失直接導致內部產生額外熱量，然后需要在音頻放大器外部進行散熱。由于AB類設計需要更大的散熱器，這也使持續減小整個汽車音頻放大器系統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，這使得設計人員能夠使用更小、更簡單的散熱器將散熱量傳輸到周圍環境中。

開關頻率

安裝在儀表盤后面相對狹小空間內的電子器件數量增加了電路可以近距離發射干擾信號的可能性。更重要的是，現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)，以應對這些挑戰。

美國AM廣播電臺的波段范圍為535-kHz至1705-kHz?，F有的D類音頻放大器設計通常在400 kHz至500 kHz范圍內以基本開關頻率運行。這些低開關頻率D類放大器設計直接在AM波段內產生諧波，如圖2所示。

圖2.典型400-kHz D類放大器諧波

諧波會產生降低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類放大器設計上運用AM避免技術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制（PWM）信號轉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瞬態電磁干擾。

圖3.D類放大器BTL電路

在2.1-MHz開關頻率下運行的汽車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。

圖4.2.1-Mhz高開關頻率

另一個好處是，由于紋波電流的內在減少，2.1-MHz開關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。

圖5.電感器尺寸與開關頻率的比較

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解調濾波器特性）取決于開關頻率。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高開關頻率放大器設計可以利用3.3μH至3.6μH范圍內更小更輕的電感器（假設每個放大器提供相同的輸出功率）。

正如之前提到的，典型汽車收音機設計至少有4個通道來驅動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尺寸和設計重量有著重要的影響。一般來說，從8.2-μH電感器轉換到3.3-μH電感器可以節省電路板上85%以上的電感器空間和減小85%以上的重量。

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

正方形包裝設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。如圖6所示，這種類型的包裝設計大大增加了整個PCB的占用面積。