一種應用于汽車的D類放大器設計方案

隨著高傳真音響系統體積越來越大、功耗越來越高，對D類音訊放大器進行重新設計，將可滿足汽車音響設計特殊挑戰。對車用資訊和資訊娛樂系統而言，其功能和子系統的不斷增多，對車前部和車身的音響功率預算要求已達極限。汽車音響設計師在尋找高性能、低成本方案。對許多應用來說，采用超高效率的D類放大器可能是最佳選擇。
　　特別是對高階汽車來說，多聲道、多揚聲器系統已成為標準配備。汽車音響工程師所面臨的設計挑戰包括：保持甚至超越顧客對極高音響放大器水準及超低失真的期待；以及為因應向雙甚至三聲道揚聲器系統和重低音轉變的趨勢，需要更高功率的設計。
　　與家庭娛樂系統的音響放大器不同，設計工程師無法簡單地加大功率，同時找到一種可控制音訊品質以滿足這些目標的方法。位於駕駛儀表板之下的空間非常有限，也不允許大量發熱。另外，車內的電源電壓也受到限制，且常常會有因諸如電壓跳變和來自車內其他電子和機械系統干擾導致的電壓異常。
　　每一種新車型都會在音響設計中加入新的子系統，例如：視訊甚或導航和全球定位系統GPS）等。如此一來，音響系統就面臨著對更多揚聲器、更多聲道、更高功率的要求，通常情況下，留給音響驅動系統的空間也就更局促。
　　對音響功率的要求一直在增加。有兩種基本方式可滿足這些需求。傳統方式是增加更多的由標準音響放大器驅動的聲道。在每一放大器驅動一個揚聲器的主動系統中即采用該方案。但也就是因為聲道數的增加，這種方式變得愈加復雜，且越來越難以為繼。
　　另一種方法是透過減少揚聲器的阻抗或利用DC/DC變換器增加電源電壓來增加功率輸出。采用該方法，單一放大器可驅動兩或三個揚聲器，且仍能得到高傳真的音訊輸出。
　　雖然第二個方案較不復雜，但兩種方案仍有共通點：它們都增加了耗散功耗。因此，為滿足功耗指標，采用更高效的系統成為具體方案的關鍵。
　　對更高效放大器的需求，己經使對D類音訊放大器的討論成為音響設計師之間的熱門話題。
　　D類音訊的效率可高達95%，而AB類音訊放大器的效率只有約50%；因此，D類音訊放大器在提供優異音質的同時還可掌控功耗。D類音訊放大器良好的功率效率意味著它們只需更小的散熱器，為狹窄的車前單元節省空間，以安放更多的電子系統。但D類比AB類放大器要貴得多，并需要專門的設計考慮。
　　圖1顯示的是在輸出功率范圍內，AB類放大器（圖1a）和D類音訊放大器（圖1b）的相對效率。

圖1 在更寬的范圍內，D類音訊放大器具有更高效率
　　要記住的是：這兩種方法并非水火不容。實際上，創新的工程設計經常采用混合方案。汽車音響也不例外。設計工程師將根據以下幾個關鍵考慮來決策：
　　車前單元的大小、功率要求和散熱能力
　　音響系統的成本
　　音響性能
　　如何降低來自其他電子和機電設備的干擾。
　　1 放大器的技術基礎
　　為充分了解D類音訊放大器，我們首先簡單介紹該放大器的技術基礎。
　　A類放大器的輸出元件在整個周期都持續導通。換言之，偏置電流一直流過輸出元件。A類放大器具有最好的線性輸出、失真最小。但缺點是效率太低，只有約20%。
　　B類放大器的輸出元件分別在正弦曲線的半個周期（一個在正半、另一個在負半周期）導通。若沒有輸入訊號，則輸出元件沒有電流流過。在最大輸出功率，B類放大器的效率最高，為78.5%。但一個輸出元件關閉和另一個輸出元件導通間的間隔會在交叉點產生線性問題。
　　AB類放大器是上述兩種類型的組合。兩個元件在靠近交叉點（盡管很接近）處同時導通。每個元件的導通時間長於半個但短於一個周期，克服了B類放大器設計非線性問題。AB類放大器效率約為50%。它是最常用的一種功率放大器。
　　D類音訊放大器是開關和脈寬調變（PWM）放大器。因開關不是全開就是全關，所以大幅降低了輸出元件上的損耗。據說其效率可達90~95%。利用音訊訊號調變可驅動輸出元件的PWM載波訊號。但因D類音訊放大器是開關型，所以它會產生開關雜訊。其最末級是一個濾除高頻PWM載頻的低通濾波器。
　　2 D類和AB類放大器比較
　　AB類放大器是目前汽車音響應用中的標準。該技術非常成熟，所以，采用其開發產品相對較容易，且不需要調整和重頭再來。多家IC制造商間的激烈競爭也使AB類放大器價格趨於合理。由於AB類放大器只需外接幾個元件，進一步降低了原材料成本。另外，當與最初的D類音訊放大器相較時，AB類放大器具有不產生電磁干擾（EMI）的優勢。
　　AB類放大器的缺點包括相對較高的功耗，以及由50%工作效率引起的發熱，但僅在音響系統變得更復雜時，這些缺點才會成為嚴重問題。不過，在車前單元的應用中，AB類放大器又引發了一個新問題：源於不斷增加的功耗，當電源電壓高於18V時，無法用AB類放大器產生更高輸出功率。
　　除了90%的工作效率外，D類音訊放大器還可透過與處理音訊之數位訊號處理器（DSP）的互連來進行設計，此舉節省了在DSP內整合一個類比/數位轉換器的成本（AB類放大器有一個基本的類比連接；但將D類音訊放大器稱為‘數位’放大并不恰當。）最後，D類音訊放大器可整合到60V的電源線路之中。