增强听觉体验的新型D类放大器

随着汽车音频系统越来越复杂，客户需要更加丰富的声音，音频组件必须能够处理更多信道和更高功率。在音频放大应用中，模拟AB类放大是针对应用的常用技术，AB类放大器也一直广泛应用于音频行业。相比而言，D类放大技术采用了脉宽调制(PWM)技术，可以将功率效率从AB类放大器的50%提高到90%以上。这样就可以减少发热，在更小的空间内支持更多声道和更高功率，所以业界慢慢开始向D类放大技术过渡。  但是由于汽车环境要求苛刻，对安全、诊断、工作温度范围和高可靠性等都有很多限制，Class D技术的应用自然也有很多技术障碍，例如电磁干扰(EMI)和电源噪声等。飞思卡尔半
导体公司的Symphony Class D放大器提供了一种高保真系统解决方案，采用创新的数字反馈技术，大大提高了Class D放大器的音频性能。
　　
Symphony D类解决方案

Class D数字放大器解决方案包括Symphony FSA95601数字放大控制器芯片和MC33851输出功率级芯片。数字放大器控制器FSA95601是高性能6声道D类数字放大控制器，可以处理6个声道的脉冲码调变(PCM)数字音效输入，并产 生相应的PWM输出，以便驱动外部的功率后级。输出功率级MC33851具有双声道集成H桥式功率级和先进的诊断及保护功能，适用于每个声道需要50～100W(桥接)功率的应用。Symphony解决方案同时也可以接受来自DSP直接输入的数字信号，这样便不需要为每个声道准备数字/模拟转换器。如此一来，由于中间少了不必要的转换层级，音质自然可以得到显著的改善，成本也可随着零部件数目的减少而下降。

图1  数字放大器控制器和输出功率级

如图1所示，FSA95601控制器对多声道脉冲编码调制(PCM)输入进行异步采样率转换和上采样，然后通过先进的信号处理技术(包括自然取样和噪声整型)将它们转换成高频率PWM信号。PWM信号然后与反馈调节相结合，纠正功率级或电源噪声的非理想状态引起的错误。然后，经过校正的PWM信号通过嵌入式H型桥转换，由MC33851功率级放大到电源电压水平。最终经过放大的方波通过LC滤波器产生正弦音频信号，最后连接到扬声器。
　　
FSA95601具有高性能数字信号反馈技术，可纠正功率级非理想状态并抑制电源噪声，同时保持出色的音频性能。FSA95601有6个声道，每个声道都能驱动外部半桥或H型桥功率级；失真度低，在20Hz～20kHz频率范围内，采用1kHz、-3dB FS(12W)输入、14.4V电源、4Ω负载情况下，THD<0.01%；动态噪声范围>100dB；芯片异步采样率转换器(ASRC)支持32～192kHz的PCM输入；具有I2C或SPI从模式控制端口，提供4个I2C地址；串行音频接口(SAI)支持I2S、TDM和其他常见音频格式，支持192kHz的输入。
　　
FSA95601用于需要更高功率的离散功率级设计，可支持直接连接到H型桥式功率级拓扑，通过调节死时间来确保功率晶体管之间不会出现传导重叠。反馈回路延迟补偿可以根据功率级布板和器件延迟来设置。
　　
MC33851双通道H桥接功率后级非常适用于汽车音像系统和恶劣环境，使用14.4V汽车电池直接供电，以2Ω的负载提供额定输出功率，工作电源电压高达24V；2个50W的功率H型桥，输出可以桥接到100W；短路保护输出、低电压、过电压和过热关闭；较低的信道导通电阻；先进的开启/关闭音响按键及杂音抑制电路；8个I2C地址。
　　
Symphony D类的解决方案
　　
使用D类放大器，就必须解决电磁干扰(EMI)和电源噪声问题。制造商必须使EMI辐射达到规定指标，并确保辐射不会干扰AM/FM信号接收。另外，在汽车中，通常由于环境条件限制(如引擎噪声)或选择了低成本电源组件，电源条件一般不太理想。
　　
解决电磁干扰
　　
Symphony D类数字放大器采用实时数字反馈技术来实现电源噪声抑制。D类放大器使用快速开关装置来提高功率效率，这使得进行低EMI系统设计变得越来越富挑战性，因为低EMI可能会干扰AM/FM收音机等设备。Symphony D类放大器采用多种方法，以克服与开关放大器技术相关的潜在EMI问题。H桥功率级设备采用可编程转换速率控制，其中输出开关速度可由用户进行调节。如果与FSA95601一起使用，MC33851 H桥功率级转换速率控制电路将降低EMI，而不会影响音频质量。内置在Symphony D类控制器中的其他EMI降低功能包括6个PWM信道的可编程开关定相，多个控制器可对它们的定相进行同步，以降低带有6个声道的系统中的EMI。软件控制了主PWM的频率，从而克服了那些能在载波抑制模式下运行的AM波段干扰，其中脉冲重复频率及其奇次谐波在整个负载(扬声器)中也用差分处理的方法消除了。这样，设计人员可以充分利用D类放大器在功率效率方面的大幅改进，及其节省成本的优势，同时实现良好的音频质量。