通過更高的輸出功率和 H 類控制創(chuàng)造身臨其境的汽車音頻體驗
隨著汽車油耗標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高（根據(jù)環(huán)境保護署的數(shù)據(jù)，到 2026 年將達到每加侖 40 英里），汽車音響設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是如何提供身臨其境的音頻體驗，同時減輕車輛重量并提高整體效率。
如果我們設(shè)計汽車外部放大器，我們可以通過增加輸出功率、利用更高阻抗的揚聲器和在系統(tǒng)中實施 H 類控制來更新我們的音頻系統(tǒng)架構(gòu)以增強用戶體驗。在本文中，我將詳細解釋每種方法，包括它們對音頻系統(tǒng)重量和性能的影響。
使用更高的電源電壓和更高的輸出電流支持更高的輸出功率
除了原始設(shè)備制造商 (OEM) 要求減輕車輛重量外，消費者還尋求能夠在車輛中創(chuàng)造身臨其境體驗的優(yōu)質(zhì)音頻性能。為了開發(fā)創(chuàng)造這種體驗的系統(tǒng)，設(shè)計人員喜歡集成更強大的低音炮，這些低音炮可以持續(xù)輸出震耳欲聾的低音，并提供更大的聲音復(fù)制動態(tài)范圍（以分貝測量的最安靜和最響亮的聲音之間的差異）。
為了增加動態(tài)范圍以及更高的輸出功率，請考慮提高輸入電源電壓。表 1 顯示了在揚聲器阻抗增加時保持 75 W 輸出功率所需的電源電壓和輸出電流值。
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相同的輸出功率 |
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輸出功率（W） |
75 |
75 |
75 |
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揚聲器阻抗 (Ω) |
2 |
4 |
8 |
|
電源電壓 (V) |
20 |
26 |
36 |
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輸出電流（A） |
8.7 |
6.1 |
4.4 |
表1：各種通道需求之間的關(guān)系（相同功率）
表 2 顯示了增加的功率需求和電源電壓/輸出電流之間的相關(guān)性。在這種情況下，對于更高輸出功率的需求——從 100 W 到 120 W——需要增加電源電壓和增加輸出電流，以保持相同的揚聲器阻抗。
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增加的輸出功率（4Ω） |
增加的輸出功率（8Ω） |
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輸出功率（W） |
75 |
100 |
120 |
75 |
100 |
120 |
|
揚聲器阻抗 (Ω) |
4 |
4 |
4 |
8 |
8 |
8 |
|
電源電壓 (V) |
26 |
31 |
34 |
36 |
42 |
45 |
|
輸出電流（A） |
6.1 |
7.1 |
7.8 |
4.4 |
5.0 |
5.5 |
表2：各種通道需求之間的關(guān)系（增加功率）
為什么高阻抗揚聲器可以減輕整體重量
如表 1 所示，使用高阻抗揚聲器的一個好處是輸出電流顯著下降，同時保持相同的輸出功率。并且當(dāng)我們降低所需的輸出電流時，可以減小銅線的相對尺寸（直徑）。例如，在相同輸出功率下，與 4-Ω 或 2-Ω 揚聲器相比，直徑較小的線可以支持 8-Ω 揚聲器，這有助于減輕音頻電纜的重量。
在圖 1 所示的簡化安裝中，描述了一個六揚聲器汽車音響系統(tǒng)，每個車門支持一個中音揚聲器，后部有兩個額外的揚聲器，我們需要大約 76 英尺的銅線來連接所有揚聲器。
圖 1：連接典型六揚聲器汽車音響系統(tǒng)所需的銅線長度
增加揚聲器阻抗的一個積極影響是它提供了減小電纜直徑的機會。當(dāng)我們將其乘以通常用于將所有揚聲器連接到音頻外部放大器的電纜剪切量時，我們可以真正降低音頻系統(tǒng)的整體重量。
實施 H 類控制以優(yōu)化系統(tǒng)效率并進一步減輕重量
在傳統(tǒng)的音頻系統(tǒng)中，電源解決方案通常將所有揚聲器的音頻放大器的電源電壓（標(biāo)記為 PVDD）設(shè)置為所需的最高電壓，以提供音頻負載所需的峰值功率，如圖 2 所示。
圖 2：沒有 H 類控制的傳統(tǒng)音頻系統(tǒng)中的 PVDD
實施稱為 H 類控制的技術(shù)（使用汽車 D 類音頻放大器，例如TAS6584-Q1）可以優(yōu)化提供給放大器的 PVDD 電壓（參見圖 3）并動態(tài)跟蹤音頻的包絡(luò)波形。如果 PVDD 電壓固定為 42 V，H 類控制顯著提高了音頻設(shè)計的效率并節(jié)省了原本耗散的功率。
圖 3：使用 H 類控制的 PVDD
為了進一步說明 H 類控制對效率的影響，讓我們看一下表 3 中的數(shù)據(jù)。使用基于 TAS6584-Q1 的汽車 H 類音頻和跟蹤電源參考設(shè)計，它可以切換 Class -H 控制開或關(guān)，表 3 比較了系統(tǒng)的輸入功率 (P in ) 與耗散功率 (P out )。借助 H 類控制，升壓電源控制器和音頻放大器之間的系統(tǒng)效率增益接近 10%。
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10 秒音頻剪輯 |
Pin |
輸出_ |
系統(tǒng)效率 |
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無 H 級 |
49.33 |
33.93 |
68.8% |
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H 類啟用 |
43.02 |
33.90 |
78.7% |
表 3：使用 H 類控制提高效率
提高效率還可以降低外部放大器的總功率損耗，如圖 4 所示。
圖 4：在不使用 H 類控制的情況下降低整體功率損耗
為了進一步說明這一點，讓我們看一下 TAS6584-Q1 音頻放大器和LM5123-Q1升壓控制器電源的熱像儀圖像，并比較它們的熱特征。圖 5 顯示了 H 類控制的實施如何顯著降低總熱負荷。
如圖 5 所示，H 類控制效率的提高（通過降低功率損耗）有助于降低熱負載，從而可以選擇更小的散熱器來散發(fā)內(nèi)部熱量。
圖 5：沒有和使用 H 類控制的熱節(jié)省
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波形 |
配置 |
LM5123 MOSFET 溫度 (°C) |
TAS6584-Q1 電感溫度 (°C) |
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1 kHZ 900 ms 1/8次功率，100 ms 全功率 |
H級 |
56.6 °C |
56.4 °C |
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沒有 H 類 |
76.7 ℃ |
76.2 °C |
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區(qū)別 |
20.1 °C |
19.8 °C |
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表 4：LM15123-Q1 和 TAS6584-Q1 熱成像的溫度對比表
結(jié)論
我希望我有效地展示了如何利用更高阻抗的揚聲器和實施 H 類控制可以幫助我們開發(fā)更輕量級的音頻系統(tǒng)；以及外部放大器減輕重量如何轉(zhuǎn)化為以下好處之一：更長的行駛距離，能夠在整體音頻設(shè)計中包含更多數(shù)量的揚聲器通道，以及增加現(xiàn)有汽車數(shù)量的每個通道的總體平均輸出功率揚聲器。
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