一种应用于汽车的D类放大器设计方案

随着高传真音响系统体积越来越大、功耗越来越高，对D类音讯放大器进行重新设计，将可满足汽车音响设计特殊挑战。对车用资讯和资讯娱乐系统而言，其功能和子系统的不断增多，对车前部和车身的音响功率预算要求已达极限。汽车音响设计师在寻找高性能、低成本方案。对许多应用来说，采用超高效率的D类放大器可能是最佳选择。
　　特别是对高阶汽车来说，多声道、多扬声器系统已成为标准配备。汽车音响工程师所面临的设计挑战包括：保持甚至超越顾客对极高音响放大器水准及超低失真的期待；以及为因应向双甚至三声道扬声器系统和重低音转变的趋势，需要更高功率的设计。
　　与家庭娱乐系统的音响放大器不同，设计工程师无法简单地加大功率，同时找到一种可控制音讯品质以满足这些目标的方法。位於驾驶仪表板之下的空间非常有限，也不允许大量发热。另外，车内的电源电压也受到限制，且常常会有因诸如电压跳变和来自车内其他电子和机械系统干扰导致的电压异常。
　　每一种新车型都会在音响设计中加入新的子系统，例如：视讯甚或导航和全球定位系统GPS）等。如此一来，音响系统就面临着对更多扬声器、更多声道、更高功率的要求，通常情况下，留给音响驱动系统的空间也就更局促。
　　对音响功率的要求一直在增加。有两种基本方式可满足这些需求。传统方式是增加更多的由标准音响放大器驱动的声道。在每一放大器驱动一个扬声器的主动系统中即采用该方案。但也就是因为声道数的增加，这种方式变得愈加复杂，且越来越难以为继。
　　另一种方法是透过减少扬声器的阻抗或利用DC/DC变换器增加电源电压来增加功率输出。采用该方法，单一放大器可驱动两或三个扬声器，且仍能得到高传真的音讯输出。
　　虽然第二个方案较不复杂，但两种方案仍有共通点：它们都增加了耗散功耗。因此，为满足功耗指标，采用更高效的系统成为具体方案的关键。
　　对更高效放大器的需求，己经使对D类音讯放大器的讨论成为音响设计师之间的热门话题。
　　D类音讯的效率可高达95%，而AB类音讯放大器的效率只有约50%；因此，D类音讯放大器在提供优异音质的同时还可掌控功耗。D类音讯放大器良好的功率效率意味着它们只需更小的散热器，为狭窄的车前单元节省空间，以安放更多的电子系统。但D类比AB类放大器要贵得多，并需要专门的设计考虑。
　　图1显示的是在输出功率范围内，AB类放大器（图1a）和D类音讯放大器（图1b）的相对效率。

图1 在更宽的范围内，D类音讯放大器具有更高效率
　　要记住的是：这两种方法并非水火不容。实际上，创新的工程设计经常采用混合方案。汽车音响也不例外。设计工程师将根据以下几个关键考虑来决策：
　　车前单元的大小、功率要求和散热能力
　　音响系统的成本
　　音响性能
　　如何降低来自其他电子和机电设备的干扰。
　　1 放大器的技术基础
　　为充分了解D类音讯放大器，我们首先简单介绍该放大器的技术基础。
　　A类放大器的输出元件在整个周期都持续导通。换言之，偏置电流一直流过输出元件。A类放大器具有最好的线性输出、失真最小。但缺点是效率太低，只有约20%。
　　B类放大器的输出元件分别在正弦曲线的半个周期（一个在正半、另一个在负半周期）导通。若没有输入讯号，则输出元件没有电流流过。在最大输出功率，B类放大器的效率最高，为78.5%。但一个输出元件关闭和另一个输出元件导通间的间隔会在交叉点产生线性问题。
　　AB类放大器是上述两种类型的组合。两个元件在靠近交叉点（尽管很接近）处同时导通。每个元件的导通时间长於半个但短於一个周期，克服了B类放大器设计非线性问题。AB类放大器效率约为50%。它是最常用的一种功率放大器。
　　D类音讯放大器是开关和脉宽调变（PWM）放大器。因开关不是全开就是全关，所以大幅降低了输出元件上的损耗。据说其效率可达90~95%。利用音讯讯号调变可驱动输出元件的PWM载波讯号。但因D类音讯放大器是开关型，所以它会产生开关杂讯。其最末级是一个滤除高频PWM载频的低通滤波器。
　　2 D类和AB类放大器比较
　　AB类放大器是目前汽车音响应用中的标准。该技术非常成熟，所以，采用其开发产品相对较容易，且不需要调整和重头再来。多家IC制造商间的激烈竞争也使AB类放大器价格趋於合理。由於AB类放大器只需外接几个元件，进一步降低了原材料成本。另外，当与最初的D类音讯放大器相较时，AB类放大器具有不产生电磁干扰（EMI）的优势。
　　AB类放大器的缺点包括相对较高的功耗，以及由50%工作效率引起的发热，但仅在音响系统变得更复杂时，这些缺点才会成为严重问题。不过，在车前单元的应用中，AB类放大器又引发了一个新问题：源於不断增加的功耗，当电源电压高於18V时，无法用AB类放大器产生更高输出功率。
　　除了90%的工作效率外，D类音讯放大器还可透过与处理音讯之数位讯号处理器（DSP）的互连来进行设计，此举节省了在DSP内整合一个类比/数位转换器的成本（AB类放大器有一个基本的类比连接；但将D类音讯放大器称为‘数位’放大并不恰当。）最後，D类音讯放大器可整合到60V的电源线路之中。