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为车载音频系统设计选择合适的功放方案 |
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作者：恩智浦半导体公司 张超 |
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随着汽车电子技术迅速发展，车载音频系统也在不断升级，以满足消费者对音频体验的更高要求。例如，支持多种外加音源(诸如DVD、SD卡、蓝牙、数字广播等)；电台接收效果更好；音效处理更加丰富，甚至要达到Dolby 5.1等家用音响的效果。(图1)。同时，汽车厂商和设计公司又希望能够缩短产品开发周期，加速上市。所有这些都对车载功放产品提出更高要求。
车载功放是车载娱乐系统中不可缺少的一个功能模块。其作用是将音频输入的信号进行选择与入处理，进行功率放大，使电信号具有推动音箱的能力。车载音频系统对于功放多通道，高效率，低失真，智能化的要求，使功放模块设计人员在设计功放的时候要面临如下的技术挑战：如何在有限的散热空间内，实现大功率，多通道输出；如何监控功放芯片本身的工作状态，保证功放芯片在过温，过压，过流情况下不受损害；选择怎样的滤波电路，使功放模块通过EMI检测，不干扰其他模块工作，尤其是不对收音模块产生干扰。
图1 主流车载音频系统框图
车载功放技术现状及发展趋势
功放按工作原理分为A类、B类、AB类、D类，下面先简要分析这几类功放在车载音频系统应用中的优缺点。
A类是一种完全的线性放大器。在A类功率放大器工作时，晶体管的正负通道不论有或没有信号都处于常开状态，这就意味着更多的功率消耗为热量。A类功率放大器的效率非常低，通常只有20-30%，因此在汽车音响的应用中比较少见，像意大利的Sinfoni高级系列才有这类功率放大器。但是A类功放也有显著优势，例如失真最小（无交越失真和开关失真）、保真度高、声音表现很好，所以深受音响发烧友青睐。
B类也被称为线性放大器，但是它的工作原理与A类功放完全不同。B类功放在工作时，晶体管的正负通道通常是处于关闭状态，除非有信号输入。而且两个通道不会同时工作，因此在没有信号的部分，完全没有功率损失。但是在正负通道开启关闭的时候，常常会产生交越失真，特别是在低电平的情况下，所以B类功放不是真正意义上的高保真功率放大器。但是由于B类功放效率比较高，因而在早期许多汽车音响系统还是采用这类产品。
AB类是兼具A类与B类功放优势的一种设计。当没有信号或信号非常小时，晶体管的正负通道都常开，这时功率有所损耗，但没有A类严重。当信号是正相时，负相通道在信号变强前还是常开的，但信号转强则负通道关闭。当信号是负相时，正负通道的工作刚好相反。AB类功放的主要缺陷在于会产生交越失真，但是在效率比以及保真度方面，还是优于A类和B类功放，因而AB类功放成为目前汽车音响中应用最为广泛的设计方案。
D类放大器与上述A，B或AB类放大器不同，其工作原理基于开关晶体管，可在极短的时间内完全导通或完全截止。两只晶体管不会在同一时刻导通，因此产生的热量很少。这种类型的放大器效率极高(90%左右)，在理想情况下可达100%，而相比之下AB类放大器仅能达到78.5%。不过另一方面，开关工作模式也增加了输出信号的失真。
随着车载娱乐系统的发展，对功放部分的要求也越来越高：大功率、高效率（低散热）、多通道、高保真、智能诊断及保护功能。传统的AB 类功放已经很难满足这些要求，所以功放的发展趋势是在D类功放的基础上，改善EMC性能、降低失真度，并支持数字音源输入。
新兴的全数字音频放大器对数字音源输出的音频信号进行直接处理和放大，可以方便地实现高保真、高效率和低成本的音频放大器，因而可以为数字音源、音频处理和功率放大的整合设计提供了完整的端到端数字解决方案。
典型方案介绍
针对不同的车载应用需求，恩智浦开发出多种车载功率放大器。产品系列丰富、功能完备、性能突出。例如，从单通道、双通道到四通道，能满足驱动多路负载的需要；功率范围从1W到130W，可满足各种负载的驱动要求；智能诊断及保护机制，既能给功放芯片提供过温、过压、过流、交叉短路及对地、对电源短路的保护机制，又能把功放工作状态通过诊断管脚或者I2C通信反馈到MCU。
IPAS方案
集成功放和稳压器(IPAS)方案实现了在一颗IC上集成高功率放大器和多路电压输出调节器，能够有效缩短产品设计周期、降低系统成本。例如，恩智浦的TDA8588是一个由I2C总线控制的多路电压输出调节器和四通道ＢＴＬ音频放大器（４×５０Ｗ）。通过I2C总线，能读出每个放大器通道的工作状态。由于能输出大功率，并提供稳定的电压输出，对于车载娱乐系统应用来说，TDA8588是一个完整、经济的解决方案。
低功耗、高效D类功放方案
现在的车载娱乐系统拥有越来越多的扬声器，更多的通道意味着更大的功耗和更高的温度。但车载娱乐模块的体积有限，不能支持更大的散热片，所以需要使用更高效的D类功放。
为此，恩智浦开发出低功耗高效车载D类功放TDF859X系列产品，该系列产品基于绝缘体硅片（SOI）处理功能和具有专利技术的零死区时间技术，具备卓越的EMC性能以及智能诊断及保护功能。
其中TDF8599TH是具有诊断特征的I2C总线控制双通道Ｄ类功放。TDF8599TH工作模式分为I2C和NON-I2C两种模式，可以通过I2C总线检测负载工作状态和故障诊断。
为了满足车载娱乐多路扬声器的需要，TDF8599TH能实现多片协同工作，实现多路输出。(图2)一片TDF8599TH作为主芯片，其他作为从芯片，并共享主芯片的时钟。恩智浦提供完整的TDF8599TH应用参考设计，在这里我们简要说明参考设计各部分的注意事项。
图2 TDF8599的主从工作模式
图3中，通过推荐的电感滤波器，在Vp1，Vp2的电源输入处消除噪声。音频输入部分无特殊要求，只要根据参考设计中推荐数值进行匹配。ADS管脚是控制硬件地址选择，通过不通的电阻值来对应不同的I2C地址，在NON-I2C 模式下可以直接接地。MOD管脚是控制功放不同的输出模式，在I2C控制模式下有立体声模式和平行模式，在NON-I2C模式下有AD或BD模式，并控制从芯片是否有90度相移。CLIP和DIAG管脚是失真检测和诊断输出，通过5V上拉，在高电平输出情况下表示工作正常，低电平表示有失真或故障。在音频输出部分，通过两级滤波，可实现较好的EMC性能。
图3TDF8599TH 芯片结构图
本文小结
车载音频领域的技术革新持续发展，数字广播、后座娱乐、无线连接等新功能的涌现，要求车载功放产品相应加速更新换代，从传统AB类功放到D类功放，以及下一代数字功放，车载功放产品在输出功率、智能控制及诊断功能等方面不断完善，以满足现有及未来市场需求。(end)
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(11/6/2008) |
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