论文部分内容阅读
随着汽车音频系统越来越复杂，客户需要更加丰富的声音，音频器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，Class AB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，可以将功率效率从一般的50%提高到90%以上。这样就可以减少散热，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)和电源噪音等。为解决Class D放大器以往面临的一些技术难题，全球最大的汽车半导体供应商的飞思卡尔，推出新型Symphony Class D放大器提供了一种高保真系统解决方案。它采用创新的数字反馈技术，将Class D放大器的音频性能提升到一个前所未有的新水平。这款Class D放大器产品扩大了飞思卡尔面向音频应用的广泛Symphony产品系列的阵容，为设计人员提供了完整的数字音频解决方案。
飞思卡尔Symphony D类解决方案介绍
飞思卡尔的Class D数字放大器解决方案包括SymphonyTM FSA95601数字放大控制器芯片和飞思卡尔MC33851输出功率级芯片。该解决方案包括两个主要组成部分，这两部分相互协调，实现最佳的声音质量和性能：
● 数字放大器控制器(FSA95601)：高性能6声道D类数字放大控制器；
● 输出功率级(MC33851)：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50W～100W(桥接)功率的应用。
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。
图1：数字放大器控制器和输出功率级
FSA95601特性
● 具有专利的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；
● 6声道，每个声道都能驱动外部半桥或H型桥功率级；
● 低失真度(一般THD < 0.01%，20KHz～20KHz，采用1KHz、-3dB FS (12W)输入、14.4V电源、4Ω负载)；
● 动态噪音范围>100dB，不加权；
● 芯片异步采样率转换器(ASRC)支持32 kHz～192 kHz的PCM输入；
● 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和其它常见音频格式，支持高达192 KHz的输入；
● Symphony FSA95601控制器用于全面支持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，通过可调节的死区时间控制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特性
MC33851非常适用于汽车音像系统和恶劣环境。它的技术特征如下：
● 设计使用14.4V汽车电池直接供电，以2Ω的负载提供额定输出功率，操作电源电压高达24V；
● 2个50W的功率H型桥；输出可以桥接到100W；
● 过热、过电流和低电压报告；
● 短路保护输出、低电压、过电压和过热关闭；
● 较低的信道开启阻抗(Rdson)；
● 音频pop噪声抑制电路；
● 提供8个I2C地址；
● 周围环境温度：-40℃～125℃。
飞思卡尔Symphony D突破性解决思路
要有创新的Symphony解决方案，就必须克服Class D系统的障碍，即电磁干扰(EMI)和电源噪音。制造商必须达到EMI辐射水平，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(如引擎噪音)或选择了低成本电源器件，电源条件一般不太理想。
解决电磁干扰
为了解决这些难题，飞思卡尔的Class D数字放大器实施了PWM技术，提供实时数字反馈，以实现电源噪声抑制。D类放大器使用快速开关装置来提高功率效率。这就使得进行低EMI系统设计变得越来越富挑战性，因为低EMI可能会干扰诸如AM/FM收音机等设备。飞思卡尔的Symphony D类放大器实施了若干套实用解决方案，以克服与开关放大器技术相关的潜在EMI问题。H桥功率级设备采用专利的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类控制器中的其它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)中也被差分地消除了。这样，设计人员可以充分利用Class D放大器在功率效率方面的大幅改进，及其节省成本的优势，同时实现消费者期望的音频质量。
热量更低、重量更轻
汽车音频器件所面临的最重要挑战之一就是散热以及因散热所带来得器件尺寸的问题。传统的外置式放大器由于传统AB类放大技术的效率低下而释放出大量热量。此外，其封装也需要足够大，才能在持续高温工作时进行散热。Symphony D类解决方案的高效率能够最大程度地降低热消散并缩小放大器的总体积。这就使汽车OEM可以更自由地将放大器放置在汽车内。提高功率效率不仅可以缩小放大器的体积、减轻重量，还可以支持更多的信道。在某些情况下，这种效率可以完全不再需要外置式放大器。在降低重量和功率的同时，还可以提高燃油效率。
高性能数字反馈
高性能数字反馈是飞思卡尔Symphony D类数字放大器解决方案的主要优点之一。高性能数字反馈可以纠正功率级非理想状态，降低功率晶体管切换速度，以便减少EMI而不降低音频性能。这种解决方案还提供出色的电源噪声抑制功能，支持使用更低成本的供电器件。
如图2所示，FSA95601控制器反馈系统将切换功率级的输出与内部生成的理想PWM信号进行比较，确保相应声道可以识别错误。然后，错误由A/D转换器转换成数字信号。数字化错误部分的补偿与原始PWM信号相结合，以便对定时或振幅错误进行任何必要的纠正。
图2：高性能数字反馈
综上所述，飞思卡尔的Symphony D类放大器解决方案非常适合用于在成本和性能之间达成理想的平衡。飞思卡尔将广泛采用的Symphony DSP平台FSA95601数字放大控制器和MC33851输出功率级相结合，具有更高的功率效率，散热更少，可以在更小的空间内支持更多信道和更高功率，提供更加令人满意的听觉体验，同时具有高级诊断和保护功能，为音频处理和放大提供了真正的端到端数字解决方案。
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)和电源噪音等。为解决Class D放大器以往面临的一些技术难题，全球最大的汽车半导体供应商的飞思卡尔，推出新型Symphony Class D放大器提供了一种高保真系统解决方案。它采用创新的数字反馈技术，将Class D放大器的音频性能提升到一个前所未有的新水平。这款Class D放大器产品扩大了飞思卡尔面向音频应用的广泛Symphony产品系列的阵容，为设计人员提供了完整的数字音频解决方案。
飞思卡尔Symphony D类解决方案介绍
飞思卡尔的Class D数字放大器解决方案包括SymphonyTM FSA95601数字放大控制器芯片和飞思卡尔MC33851输出功率级芯片。该解决方案包括两个主要组成部分，这两部分相互协调，实现最佳的声音质量和性能：
● 数字放大器控制器(FSA95601)：高性能6声道D类数字放大控制器；
● 输出功率级(MC33851)：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50W～100W(桥接)功率的应用。
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。
图1：数字放大器控制器和输出功率级
FSA95601特性
● 具有专利的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；
● 6声道，每个声道都能驱动外部半桥或H型桥功率级；
● 低失真度(一般THD < 0.01%，20KHz～20KHz，采用1KHz、-3dB FS (12W)输入、14.4V电源、4Ω负载)；
● 动态噪音范围>100dB，不加权；
● 芯片异步采样率转换器(ASRC)支持32 kHz～192 kHz的PCM输入；
● 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和其它常见音频格式，支持高达192 KHz的输入；
● Symphony FSA95601控制器用于全面支持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，通过可调节的死区时间控制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特性
MC33851非常适用于汽车音像系统和恶劣环境。它的技术特征如下：
● 设计使用14.4V汽车电池直接供电，以2Ω的负载提供额定输出功率，操作电源电压高达24V；
● 2个50W的功率H型桥；输出可以桥接到100W；
● 过热、过电流和低电压报告；
● 短路保护输出、低电压、过电压和过热关闭；
● 较低的信道开启阻抗(Rdson)；
● 音频pop噪声抑制电路；
● 提供8个I2C地址；
● 周围环境温度：-40℃～125℃。
飞思卡尔Symphony D突破性解决思路
要有创新的Symphony解决方案，就必须克服Class D系统的障碍，即电磁干扰(EMI)和电源噪音。制造商必须达到EMI辐射水平，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(如引擎噪音)或选择了低成本电源器件，电源条件一般不太理想。
解决电磁干扰
为了解决这些难题，飞思卡尔的Class D数字放大器实施了PWM技术，提供实时数字反馈，以实现电源噪声抑制。D类放大器使用快速开关装置来提高功率效率。这就使得进行低EMI系统设计变得越来越富挑战性，因为低EMI可能会干扰诸如AM/FM收音机等设备。飞思卡尔的Symphony D类放大器实施了若干套实用解决方案，以克服与开关放大器技术相关的潜在EMI问题。H桥功率级设备采用专利的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类控制器中的其它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)中也被差分地消除了。这样，设计人员可以充分利用Class D放大器在功率效率方面的大幅改进，及其节省成本的优势，同时实现消费者期望的音频质量。
热量更低、重量更轻
汽车音频器件所面临的最重要挑战之一就是散热以及因散热所带来得器件尺寸的问题。传统的外置式放大器由于传统AB类放大技术的效率低下而释放出大量热量。此外，其封装也需要足够大，才能在持续高温工作时进行散热。Symphony D类解决方案的高效率能够最大程度地降低热消散并缩小放大器的总体积。这就使汽车OEM可以更自由地将放大器放置在汽车内。提高功率效率不仅可以缩小放大器的体积、减轻重量，还可以支持更多的信道。在某些情况下，这种效率可以完全不再需要外置式放大器。在降低重量和功率的同时，还可以提高燃油效率。
高性能数字反馈
高性能数字反馈是飞思卡尔Symphony D类数字放大器解决方案的主要优点之一。高性能数字反馈可以纠正功率级非理想状态，降低功率晶体管切换速度，以便减少EMI而不降低音频性能。这种解决方案还提供出色的电源噪声抑制功能，支持使用更低成本的供电器件。
如图2所示，FSA95601控制器反馈系统将切换功率级的输出与内部生成的理想PWM信号进行比较，确保相应声道可以识别错误。然后，错误由A/D转换器转换成数字信号。数字化错误部分的补偿与原始PWM信号相结合，以便对定时或振幅错误进行任何必要的纠正。
图2：高性能数字反馈
综上所述，飞思卡尔的Symphony D类放大器解决方案非常适合用于在成本和性能之间达成理想的平衡。飞思卡尔将广泛采用的Symphony DSP平台FSA95601数字放大控制器和MC33851输出功率级相结合，具有更高的功率效率，散热更少，可以在更小的空间内支持更多信道和更高功率，提供更加令人满意的听觉体验，同时具有高级诊断和保护功能，为音频处理和放大提供了真正的端到端数字解决方案。