如何为便携设备、家庭A/V以及汽车电子选择D类放大器?

上网时间: 2006年10月01日? 作者:孙昌旭? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:D类放大器? 汽车电子? 便携设备?

如今,大部分便携式电子产品、部分家庭音视频设备、越来越多的汽车音响系统都已改用D类音频放大器,D类放大器的市场正以50%以上的增长率在成长。据调研公司Forward Concept公司数据,2005年全球D类放大器销售总值已达2亿美元以上,预测2006年将增长至3.5亿美元,而2008年市场需求将会超过6亿美元。

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D类放大器以极高的放大效率受到用户青睐,随着技术的进步,原来保真度低的缺陷也得到逐渐解决,应用范围已扩大到家庭、汽车电子领域。

“随着D类放大器技术的不断进步,现在D类放大器已可做到失真极少,因此能确保音频系统高度原音。”美国国家半导体亚太区音频产品市场经理林伟山表示。因此,在便携式电池供电多媒体产品中,D类放大器已经得到普遍的应用,一般来说,D类放大器比采用AB类放大器可以提高2~3倍电池使用寿命。

而在家庭AV设备市场,D类放大器已在一些DVD 播放机、LCD-TV以及特大功率的家庭影院中被使用。“这些产品在实现小型化的同时,还要求高功率,或者同时实现高功率与多种功能。在此情况下,D 类放大器拥有极大的市场潜力。”TI高性能模拟产品部市场营销经理Gregory Davis说道。采用D类放大器的好处是无需为音频放大器加设体积较大的散热器,确保系统外型更为小巧,而且也有助于简化系统设计。

D类放大器在汽车音响和GPS等车载电子中的应用也越来越广。“大部分汽车音响系统的扬声器,尤其输出功率较大的超低音扬声器,较宜采用D 类放大器,因为它体积小巧,可以节省电路板的板面空间。汽车内的全球定位系统都利用D类放大器提供语音指示。”林伟山称。D类放大器在汽车音响领域也具有越来越强的竞争力。

“不过相对于便携式产品市场,汽车音响市场对D类放大器的需求量尚小,大多数是使用在高端产品中,主要目的也是降低功耗和节约能源。而且车载型产品的等级要求远高于消费类产品,因此车载型的D类放大器尚难吸引各汽车电子供应商的高度注意。”安森美半导体应用工程师孟祥浩提示道。

制约D类放大器在汽车中应用的另一个主要问题是EMC。Davis指出:“目前,D类技术在汽车应用领域还不常见,因为此前EMC问题始终是一个障碍。但是,现在TI专为汽车应用而设计的新型数字放大器能够满足 EMC 标准。TI的解决方案能消除一些外部放大器,从而帮助OEM厂商节省总体系统成本。”他解释说:“您会发现,目前汽车仪表盘上的音响本体在电子性能方面还存在相当大的缺陷,这是因为AB类音频的4通道面临着散热与空间问题。约三分之一的车辆中都采用外部放大器。外部放大器安装在车中的某个位置,以提供更多通道或功率,这些外部放大器会大幅增加整体成本。利用D类放大器,我们能以更高的整体散热性能为音响主体提供6或8个通道,而完全无需外部放大器,这为汽车OEM厂商节省了成本。并且,由于提高了音响主体的技术含量,OEM 厂商能够在更低外部干扰(如RF手机)的情况下更好地进行诊断。我们看到,目前业界发展的趋势是:D类放大器已能够满足EMC标准要求,将会在汽车电子中有越来越大的发展空间。”

随着D类放大器在便携式电子产品、家庭AV设备以及汽车电子等多个领域的应用全面开花,这些不同的应用对D类放大器要求千变万化,这推动了D类放大器产品的多样化和复杂化。下面将就如何选择集成与分离D类放大器以及如何为以上这三大类应用选择合适的D类放大器进行探讨。

集成方案PK分离方案

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Davis:LCD TV采用D类放大器的好处是无需为音频放大器增设体积较大的散热器,因此体积更小。

目前市场上有集成单芯片D类放大器和分离式两种方案。龙鼎微电子公司总经理兼首席科学家茅于海解释说:所谓集成是指把末级大功率MOSFET集成到芯片中,这种方案可以减少外部元件数,降低成本,提高可靠性,目前广泛地用在低于20W的D类放大器中,而对于大于30W的D类放大器则大多数采用分离方案。龙鼎微电子是由一批硅谷资深的专家于2004年成立的新兴半导体公司,它主要集中于先进的模拟、混合信号和功率管理集成电路的研究和开发。

国家半导体也认为集成与分离方案各有用武之地。林伟山表示,一般来说输出功率较低的设备,例如便携式系统或多媒体电子消费产品,大多采用集成方案,原因是集成方案较易实施,而且只需加设极少外置元件,有助于精简电路设计。对于这类应用来说,集成方案可以缩短产品的开发时间以及节省成本开支。分离方案则大多用于输出功率较大的放大级,例如每声道输出功率达100W以上的音像设备音频放大器或超低音扬声器。由于分离方案需要较多输出级元器件的支持,因此开发的时间也较长。

但对于以上的说法,TI的Davis并不赞成。他分析说:“在家庭音频领域,为了提高功率,我们看到一些厂商推出了分立式放大器设计,这对大部分客户都没有吸引力,因为这种方法在后勤支持方面有问题。例如,采用这种方法,要实现7.1通道的AV接收机,客户就必须购买32个功率 MOSFET。就几乎所有市场而言,分立式解决方案至少与集成式解决方案价格相当或更加昂贵。”

尽管如此,由于分离方案还可以给工程师更多的灵活性,使他们能对放大器性能有更大的控制权,因此仍受到欢迎。

为三大应用选择最佳D类放大器

TI、国家半导体、安森美这些领先的D类放大器厂商对于如何为以上三大应用选择D类放大器提供了很好的建议,并且,作为国内知名微电子专家兼龙鼎微电子总经理的茅于海教授也提供了宝贵的经验。以下分别是他们各自的观点,以及一些特色产品。

一、便携设备

TI高性能模拟产品亚太市场发展部产品营销工程师梁逢烈:为便携式产品选择D类器件要考虑的关键因素包括高效率以及由此而来的低散热,而不再需要散热片。一些D类放大器的Vdd工作电压较高,这一点应当考虑到。我们通常可通过适当的板面布局解决EMI问题,有时也可在输出上添加磁珠滤波器来解决这一问题。不过,许多D类音频放大器设计都完全不需要输出滤波。TI是无滤波器D类放大器的先驱,比如TPA2008d2就很成功。最新的一款产品是PCM3793,它集成了音频编解码器和D类放大器技术,能够为8欧姆负载提供每通道700mW的输出功率,能实现出色的7mW回放功能与93dB信噪比(SNR)。

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林伟山:大部分汽车音响系统的扬声器,尤其输出功率较大的超低音扬声器,较宜采用D 类放大器。

美国国家半导体亚太区音频产品经理林伟山:为便携式系统选择D类放大器需要考虑的主要因素包括:
*操作电流以及D类放大器所要达到的效率。
*音响效果,例如总谐波失真及噪声的水平。
*电磁干扰问题。由于D类放大器需要高频开关调制器的支持,因此会有电磁干扰的问题出现。客户必须参考有关的电磁干扰报告以及D类放大器的技术规格。
*由于D类放大器的输出主要为高频信号,因此需要加设LPF(Low Pass Filter)滤波器将高频噪声过滤。但加设LPF滤波器客户需要对其设计要求做很多考虑,而系统体积会变大,所以目前市场上有许多无滤波器的D类放大器。对于部分输出功率较低的D类放大器来说,无滤波器的设计可以加强其竞争优势。美国国家半导体特别为这个市场提供一系列无滤波器的D类放大器,其中包括LM466X和LM467X等型号。

安森美半导体应用工程师孟祥浩:在便携式产品中,选用的D类放大器需要具有高效率,高电源波动抑制能力和低静态噪音输出的特性。高效率体现于D类放大器的η一般大于80%。电源抑制能力体现于PSRR的值,低于-65dB就可以免除TDMA噪音对D类放大器的干扰。静态噪音输出特性也就是平时所说的NOISE FLOOR,一般为几十微伏,当然是越低越好。安森美半导体所研发的NCP2820,NCP2821系列产品可以很好的满足上述的性能要求,同时公司也开发了用于便携式产品专用的音频滤波器NUF2441,两者结合应用可以更完美的把D类放大器噪声的输出降到最低。

龙鼎微电子公司总经理兼首席科学家茅于海:D类放大器的效率主要取决于末级大功率MOSFET的导通电阻Rdson,导通电阻越小,效率就越高。同时也和喇叭的阻抗有关,喇叭阻抗越高,效率也就越高。便携式也要求尽量减少外部元器件,以减小其体积和重量。无滤波器方案就可以满足这种要求。虽然所有D类放大器都可以工作在无滤波器,但不是专门设计的D类放大器工作于无滤波器时,就会发生静态电流大,干扰严重等问题。而静态电流加大会使其效率降低,从而失去D类放大器的最重要的优点。带有射频部件的便携式产品更是要求D类放大器有极低的EMI。所以真正的无滤波器D类放大器都能够在无滤波器时还有很低的静态电流和很低的EMI。龙鼎公司最近即将推出的PAM8803,就是一种专门设计的无滤波器5伏3瓦的D类放大器,而且采用了本公司自己的专利技术。

二、家庭AV

梁逢烈:此类应用选择D类放大器要考虑的主要指标包括功率驱动、可靠性与效率等。用数字放大器提供高功率并不容易,在小型封装中要通过大量电流,如果放大器的设计不正确,电流就会损坏扬声器或放大器本身。效率是关键,因为高效放大器能减小散热片的体积,实现更加小型化的最终产品。TI数字放大器可提供超过200W的市场最高功率。

根据设计,TI数字放大器功率级适合驱动低阻抗扬声器。每个扬声器的阻抗因频率不同而有所差异,有时会低于扬声器额定值25%之多。例如,4欧姆的扬声器在特定频率下有时会降至3欧姆。如果功率级不能驱动大电流,就会在音乐峰值期间断电,这显然是我们不愿看到的。TI数字放大器能够驱动足够大的电流,以确保不出现断电情况。

为电视选择放大器需要考虑的主要指标有:出色的输出功率、效率(功耗)、扬声器阻抗、电源电压。主要产品:TPA3100D2、TPA3101D2-每通道提供高达20W的功率,可直接由24V LCD背光电源供电。

林伟山:为液晶电视机及家电产品选择D类放大器时需要考虑的主要因素:
* 输出功率及音响效果。
* 电磁干扰的程度也须认真考虑,因为可能会对系统造成干扰。
* 操作电压是另一个顾虑,客户的音像设备及液晶电视机系统都采用固定的供电电压,因此他们都希望直接使用自己的电源供应。
* 开关电源时所产生的切换噪声。
* 可与 I2S 接口兼容的输入或模拟输入。
* 由于电路板的空间极为有限,因此集成电路的体积是另一个必须考虑的因素。客户都喜欢选用封装小巧的芯片,以便产品的开发、测试及调试变得更为容易。
* 美国国家半导体的LM468X 系列是专为这类应用而设计的放大器。

孟祥浩:在TV产品中应用D类放大器也只是开始阶段,考虑到成本等各方面因素,只是在一些高端的非主流LCD-TV产品中略有应用。例如,为了实现环绕立体声效果的输出,一些高档TV开始利用数字音频处理技术结合集成多角度音柱输出,并且利用空间的反射效应实现环绕效果。在此种应用中,选择D类放大器的主要依据为效率。为实现最为理想的环绕效果,可以具有超过30个发散角度的音柱输出,每个音柱具有1W以内的输出功率。在该应用中,安森美半导体D类放大器NCP2821的高集成特性和高效率简化了设计,节约了PCB使用面积,并且降低了功耗。但是在普遍的主流设计中,在成本因素决定下,D类放大器仍无法成为TV产品的主流。

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茅于海:而D类放大器的效率主要取决于末级大功率MOSFET的导通电阻Rdson,导通电阻越小,效率就越高。

茅于海:对于家庭音视频产品,主要考虑的是在无散热器情况下还能够在比较高的环境温度下长时间地正常工作。同时这种应用对于音质的要求也是比较高的,这就要求总谐波失真THD+N 要在所有频率范围和不同的功率输出时都比较低。龙鼎公司即将在年底左右推出这类产品。

三、汽车电子应用

梁逢烈:显然在汽车应用中,EMC性能非常重要,这或许是汽车OEM厂商最关心的问题了。不管OEM厂商要考虑采用何种解决方案,都必须首先满足EMC要求,这是因为汽车应用领域的EMC问题不仅非常烦人,而且如果干扰到制动或气囊等重要系统的话,还会带来很大的潜在危险。对大多数OEM厂商来说,整体系统成本是仅次于EMC的第二重要问题。如前所述,我们能通过各种方法来降低成本。其他重要考虑因素还包括车辆质量与可靠性标准等。我们设计的器件不仅要满足汽车温度规范要求,还要符合 AECQ100 与 TS16949 等质量标准。

孟祥浩:在汽车电子应用领域众所周知,车载器件需要远高于普通消费类产品的特性需求。通常情况下,车载电子设备需要具备能在恶劣的环境下正常工作的能力。所以选择车载D类放大器时,除了需要考虑PSRR、THD+N等技术指标外,放大器的工作环境条件是必不可少的指标。通常需要-40℃~+125℃的环境温度、高湿度等级以及满足抗震指标等等。由于多项指标的限制,市场上可用于车载的单片D类放大器还很少,普遍流行的仍然是采用分离器件组合的方法。

D类放大器面临的挑战

综上所述,D类放大器在最近几年已经有了长足的进步,很多过去认为的D类放大器的缺点都已经被克服,D类放大器以其优越的高效率特性,已经开始被市场广泛所接受。但它仍然面临着一些挑战,比如进一步降低失真率、减小电磁干扰以及降低价格等。

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孟祥浩:由于多项指标的限制,目前市场上可用于车载的单片D类放大器还很少,普遍流行的仍然是采用分离器件组合的方法。

“现今D类放大器仍然需要提升的是降低失真率和提高电源干扰抑制。”孟祥浩说道。相对偏高的失真率和偏弱的PSRR的问题将在不远的将来被解决。而且集成了更多功能的、更全面和更复杂的D类放大器也会不断的推出市场以适应客户更为复杂的需求。“未来的D类放大器产品不会只局限于单纯的放大器,而会具有除放大功能以外其他音质改善或者乐音处理功能。”他预测道。

美国国家半导体的林伟山则指出:“我们还可以使电磁干扰进一步减少。由于大部分无滤波器的D类放大器的SW频率都介于 200kHz 至800kHz之间,因此很容易受这一频率范围内的AM电台波段或部分射频信号所干扰。具备扩频功能的D类放大器是可以彻底解决这个问题的理想方案。这种技术可将能量扩展至相关频率范围之外,以减低电磁干扰。”国半推出的LM4675是一款电磁干扰极低、无需加设滤波器的全新 2.65W 单声道D类音频功率放大器,其特点是可以利用扩频技术解决电磁干扰的问题。

茅于海教授的观点是D类放大器的挑战在于价格。“可以说现在的D类放大器在几乎所有指标上都可以和AB类放大器相比拟,包括音频失真指标。有些指标甚至还能够超过AB类。目前最大的问题还是价格上至今还无法去和AB类功放相匹敌。”他称。但是,他接着补充说:“如果考虑到以后在使用中因延长电池寿命和节省电费开支而省下的钱,那么显而易见D类放大器即使在经济上也是合算的。”

D类放大器供应商正面对越来越多的竞争对手。“D类放大器供应商必须进一步提高产品的性能,例如提供更多嵌入式功能,加强其音响效果,以及减低电磁干扰,才可确保产品有自己的独特优势,而且只有这样才可在市场上脱颖而出。若产品没有竞争优势,无论怎样削价促销,到头来只会被市场淘汰。”国半的林伟山指出。

作者:孙昌旭

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