提高Class D放大器音頻性能的高保真系統(tǒng)解決方案

隨著汽車音頻系統(tǒng)越來越復(fù)雜，客戶需要更加豐富的聲音，音頻組件必須能夠處理更多信道和更高功率。在音頻放大應(yīng)用中，模擬AB類放大是針對應(yīng)用的常用技術(shù)，AB類放大器也一直廣泛應(yīng)用于音頻行業(yè)。相比而言，D類放大技術(shù)采用了脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，可以將功率效率從AB類放大器的50%提高到90%以上。這樣就可以減少發(fā)熱，在更小的空間內(nèi)支持更多聲道和更高功率，所以業(yè)界慢慢開始向D類放大技術(shù)過渡。 但是由于汽車環(huán)境要求苛刻，對安全、診斷、工作溫度范圍和高可靠性等都有很多限制，Class D技術(shù)的應(yīng)用自然也有很多技術(shù)障礙，例如電磁干擾（EMI）和電源噪聲等。飛思卡爾半導(dǎo)體公司的Symphony Class D放大器提供了一種高保真系統(tǒng)解決方案，采用創(chuàng)新的數(shù)字反饋技術(shù)，大大提高了Class D放大器的音頻性能。

Symphony D類解決方案

Class D數(shù)字放大器解決方案包括Symphony FSA95601數(shù)字放大控制器芯片和MC33851輸出功率級芯片。數(shù)字放大器控制器FSA95601是高性能6聲道D類數(shù)字放大控制器，可以處理6個(gè)聲道的脈沖碼調(diào)變（PCM）數(shù)字音效輸入，并產(chǎn) 生相應(yīng)的PWM輸出，以便驅(qū)動外部的功率后級。輸出功率級MC33851具有雙聲道集成H橋式功率級和先進(jìn)的診斷及保護(hù)功能，適用于每個(gè)聲道需要50～100W（橋接）功率的應(yīng)用。Symphony解決方案同時(shí)也可以接受來自DSP直接輸入的數(shù)字信號，這樣便不需要為每個(gè)聲道準(zhǔn)備數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。如此一來，由于中間少了不必要的轉(zhuǎn)換層級，音質(zhì)自然可以得到顯著的改善，成本也可隨著零部件數(shù)目的減少而下降。

圖1 數(shù)字放大器控制器和輸出功率級

如圖1所示，F(xiàn)SA95601控制器對多聲道脈沖編碼調(diào)制（PCM）輸入進(jìn)行異步采樣率轉(zhuǎn)換和上采樣，然后通過先進(jìn)的信號處理技術(shù)（包括自然取樣和噪聲整型）將它們轉(zhuǎn)換成高頻率PWM信號。PWM信號然后與反饋調(diào)節(jié)相結(jié)合，糾正功率級或電源噪聲的非理想狀態(tài)引起的錯(cuò)誤。然后，經(jīng)過校正的PWM信號通過嵌入式H型橋轉(zhuǎn)換，由MC33851功率級放大到電源電壓水平。最終經(jīng)過放大的方波通過LC濾波器產(chǎn)生正弦音頻信號，最后連接到揚(yáng)聲器。

FSA95601具有高性能數(shù)字信號反饋技術(shù)，可糾正功率級非理想狀態(tài)并抑制電源噪聲，同時(shí)保持出色的音頻性能。FSA95601有6個(gè)聲道，每個(gè)聲道都能驅(qū)動外部半橋或H型橋功率級；失真度低，在20Hz～20kHz頻率范圍內(nèi)，采用1kHz、-3dB FS（12W）輸入、14.4V電源、4Ω負(fù)載情況下，THD《0.01%；動態(tài)噪聲范圍》100dB；芯片異步采樣率轉(zhuǎn)換器（ASRC）支持32～192kHz的PCM輸入；具有I2C或SPI從模式控制端口，提供4個(gè)I2C地址；串行音頻接口（SAI）支持I2S、TDM和其他常見音頻格式，支持192kHz的輸入。

FSA95601用于需要更高功率的離散功率級設(shè)計(jì)，可支持直接連接到H型橋式功率級拓?fù)洌ㄟ^調(diào)節(jié)死時(shí)間來確保功率晶體管之間不會出現(xiàn)傳導(dǎo)重疊。反饋回路延遲補(bǔ)償可以根據(jù)功率級布板和器件延遲來設(shè)置。

MC33851雙通道H橋接功率后級非常適用于汽車音像系統(tǒng)和惡劣環(huán)境，使用14.4V汽車電池直接供電，以2Ω的負(fù)載提供額定輸出功率，工作電源電壓高達(dá)24V；2個(gè)50W的功率H型橋，輸出可以橋接到100W；短路保護(hù)輸出、低電壓、過電壓和過熱關(guān)閉；較低的信道導(dǎo)通電阻；先進(jìn)的開啟/關(guān)閉音響按鍵及雜音抑制電路；8個(gè)I2C地址。

Symphony D類的解決方案

使用D類放大器，就必須解決電磁干擾（EMI）和電源噪聲問題。制造商必須使EMI輻射達(dá)到規(guī)定指標(biāo)，并確保輻射不會干擾AM/FM信號接收。另外，在汽車中，通常由于環(huán)境條件限制（如引擎噪聲）或選擇了低成本電源組件，電源條件一般不太理想。

解決電磁干擾

Symphony D類數(shù)字放大器采用實(shí)時(shí)數(shù)字反饋技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電源噪聲抑制。D類放大器使用快速開關(guān)裝置來提高功率效率，這使得進(jìn)行低EMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得越來越富挑戰(zhàn)性，因?yàn)榈虴MI可能會干擾AM/FM收音機(jī)等設(shè)備。Symphony D類放大器采用多種方法，以克服與開關(guān)放大器技術(shù)相關(guān)的潛在EMI問題。H橋功率級設(shè)備采用可編程轉(zhuǎn)換速率控制，其中輸出開關(guān)速度可由用戶進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果與FSA95601一起使用，MC33851 H橋功率級轉(zhuǎn)換速率控制電路將降低EMI，而不會影響音頻質(zhì)量。內(nèi)置在Symphony D類控制器中的其他EMI降低功能包括6個(gè)PWM信道的可編程開關(guān)定相，多個(gè)控制器可對它們的定相進(jìn)行同步，以降低帶有6個(gè)聲道的系統(tǒng)中的EMI。軟件控制了主PWM的頻率，從而克服了那些能在載波抑制模式下運(yùn)行的AM波段干擾，其中脈沖重復(fù)頻率及其奇次諧波在整個(gè)負(fù)載（揚(yáng)聲器）中也用差分處理的方法消除了。這樣，設(shè)計(jì)人員可以充分利用D類放大器在功率效率方面的大幅改進(jìn)，及其節(jié)省成本的優(yōu)勢，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的音頻質(zhì)量。