更大限度地减小放大器尺寸和降低热负荷的汽车音频设计注意事项

这些信息娱乐系统中的高通道数系统可能集成:

中置音箱。

独立高频音箱/中音音箱/低音音箱。

仪表盘警报声或提示音。

其他可以传递信息的音箱,如警告驾驶员在车辆处于半自动驾驶模式时控制方向盘或刹车。

一些高端汽车模型实际上可能有多达20个音箱。这些音频系统中的音箱由通常安装在汽车后备箱附近的外部放大器驱动。这些音频系统还包括更先进的声音算法,如可以提供更加个性化音响体验的主动降噪技术。

在随后的每一个车型年,汽车制造商正在增加越来越多的电子器件。再加上需要直接从信息娱乐系统驱动6到8个音箱,仪表盘后面的空间现在是前所未有的出色。因此,音频硬件的设计师应首先开发散热更低的小型汽车音频放大器解决方案。在本文中,我将描述驱动整体音频放大器的四个因素:

效率/热性能。

开关频率。

电感器尺寸。

包装设计。

效率/热性能

传统上,设计人员使用AB类线性音频放大器来设计汽车收音机。AB类线性放大技术远没有新的、但相当成熟的D类交换技术高效。图1突出了其差别。

AB类效率损失直接导致内部产生额外热量,然后需要在音频放大器外部进行散热。由于AB类设计需要更大的散热器,这也使持续减小整个汽车音频放大器系统解决方案尺寸变得更加困难。

D类放大器能够获得相同的输出功率,但散热显著减少,这使得设计人员能够使用更小、更简单的散热器将散热量传输到周围环境中。

开关频率

安装在仪表盘后面相对狭小空间内的电子器件数量增加了电路可以近距离发射干扰信号的可能性。更重要的是,现代收音机和音频放大器必须在AM波段中提供更好的抗电磁干扰性能(EMI),以应对这些挑战。

美国AM广播电台的波段范围为535-kHz至1705-kHz。现有的D类音频放大器设计通常在400 kHz至500 kHz范围内以基本开关频率运行。这些低开关频率D类放大器设计直接在AM波段内产生谐波,如图2所示。

谐波会产生降低AM接收器灵敏度的干扰信号,从而妨碍AM广播电台接收。在D类放大器设计上运用AM避免技术能够减轻这些谐波的影响。

D类音频放大器需要重建滤波器将放大器输出的脉冲宽度调制(PWM)信号转换为所需的模拟音频信号。这些输出滤波器由电感器(L)和电容器(C)构成(如图3所示),用于典型的桥接负载(BTL)放大器电路,且能够更大限度地减少D类放大器输出级上的高速开关瞬态电磁干扰。

在2.1-MHz开关频率下运行的汽车D类音频放大器在AM波段上方提供显著裕度,如图4所示。此设计不存在任何会干扰AM波段的低频尖峰,因而不再需要AM避免技术。

另一个好处是,由于纹波电流的内在减少,2.1-MHz开关频率可以使输出滤波器的电感值更低。等效额定电流的低电感会导致电感较小,从而减少印刷电路板(PCB)面积,且随后减少EMI占用面积。

对于D类汽车音频放大器,LC滤波器所需的电感值(用以确保合适PWM解调滤波器特性)取决于开关频率。如图5所示,400-kHz汽车音频放大器通常使用10-μH或8.2-μH电感值,而2.1-MHz高开关频率放大器设计可以利用3.3μH至3.6μH范围内更小更轻的电感器(假设每个放大器提供相同的输出功率)。

正如之前提到的,典型汽车收音机设计至少有4个通道来驱动2个前端扬声器和2个后端扬声器。这种简单的配置需要8个电感器以用于D类汽车音频放大器,因为每个通道需要2个电感器,如图3所示。因此,每个电感器的尺寸乘以8,对整体PCB尺寸和设计重量有着重要的影响。一般来说,从8.2-μH电感器转换到3.3-μH电感器可以节省电路板上85%以上的电感器空间和减小85%以上的重量。

包装设计

另一个能够大大减小汽车信息娱乐系统中整体系统解决方案尺寸的音频放大器注意事项是放大器包装的设计。

正方形包装设计在包装底部有输入,还有两个音频输出,且LC滤波器正交放置在放大器的一侧。如图6所示,这种类型的包装设计大大增加了整个PCB的占用面积。

带有“流式”音频信号设计的正方形包装是更好的选择。图7说明了模拟输入信号如何进入芯片一侧的放大器;音频信号的放大发生在放大器的另一侧,信号随后被传送到外部输出滤波器中。

TPA6304-Q1音频放大器使用具有TI Burr-Brown™技术的2.1-MHz高开关频率D类放大器技术。TPA6304-Q1通过结合3.3-μH金属合金电感器和直流包装设计,可以提供一个尺寸只有17 mm x 16 mm的4通道汽车D类放大器解决方案。

汽车上安装的电子器件越多,仪表盘后狭小空间内的整体热量就越来越高。因此,汽车音频硬件设计人员面临的挑战是实现更小、散热更低的音频解决方案。音频放大器的效率只会在未来的信息娱乐系统设计中变得更加重要。

TPA6304-Q1可轻易取代AB类汽车音频放大器。TPA6304-Q1的2.1-MHz开关频率和小型系统解决方案尺寸可以让你以AB类系统成本实现D类效率。

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上海沐睿科技服务有限公司是一家创新型的汽车工程技术服务公司,具备Reach、VOC、ELV环保法规评估一站式解决方案,为客户提供从初步想法到最终产品的全程支持,包括:项目的确定、设计、开发,直到材料、组件和系统的测试。此外,还包括项目管理和人员调配等服务。近十年来,整合汽车行业咨询,从车身、底盘、电子电器、智能化、动力系统、内外饰、环保法规等多方面纵向数据积累,并成功通过以品质创新,加强技术合作,孵化多家二方及三方实验室能力提升,与学术界和政府多方面协作的创新中心,促进自主创新和开放合作。

又是一年冬季来临,电动汽车“加油”跑起来

广州城的这个冬季,不像往年几次入冬失败,这一次似乎是近几年最有冬意的一年。北方地区已经早早下起了大雪,而广州城的寒风终于刺骨了起来。

对于电动汽车来说,2019年是特殊的一年:今年是新能源汽车补贴的最后一年,而随着汽车总体产销量的下降,对燃油车限购的放开和促销,反过来抑制了部分电动汽车需求。

没有调查就没有发言权,我们用数据说话。

根据中汽协的最新数据:1月至10月,新能源汽车产销量分别为98.3万辆和94.7万辆,同比增长11.7%和10.1%。

其中纯电动汽车产销量为79.5万辆和75.0万辆,同比增长18.4%和15.0%;插电式混合动力汽车产销量为18.6万辆和19.6万辆,同比下降10.6%和5.7%。

自6月26日新能源汽车补贴退坡后,新能源汽车销量至今已经“四连降”,降幅也逐渐扩大。

电动汽车能否熬过这个寒冬,迎来2020年的春天
根据乘联会发布的调查报告:新能源汽车的增长幅度正在逐步减慢,因为新能源市场处于退坡后的调整期,叠加二手新能源车的低价冲击,同时2018年下半年纯电动A00级的持续拉升在今年没有出现。

2018年,新能源汽车产销量为127万辆和125.6万辆,比2017年同比增长59.9%和61.7%。其中纯电动汽车产销量为98.6万辆和98.4万辆,插电式混合动力汽车产销量为28.3万辆和27.1万辆。

据不完全统计,全国各大新能源车企最初设定的年度销售目标:比亚迪40万辆、北汽22万辆、上汽20万辆、奇瑞和长城欧拉分别为10万辆,江淮和长安分别为8万辆。

随着新能源汽车销量的持续下跌,各家车企都下调了年度目标,其中比亚迪下调至35万,北汽下调至15万辆。

2019年新能源汽车的预定总销量160万辆的目标,已经下调至140万辆。从目前不到100万辆的销量来看,要完成全年指标依旧困难重重,而面向2020年的200万目标,更是相差甚远。

不同于特斯拉电动汽车的浓重科技范,受到新青年的热捧,中国自主品牌的电动汽车一开始就有点跑偏了,共享汽车、出租车和网约车一直以来都是新能源汽车的主力销售市场。

在私人用户市场,买纯电动汽车的用户是少数中的少数,即使在限牌限外政策笼罩之下的城市,插电混合动力汽车才是首选。

互联网造车新车企小鹏汽车的创始人何小鹏先生,曾在社交媒体发表言论,意思就是中国的电动汽车绝大多数都卖去了的士、出行等运营用户,私人用户购买量非常少。

作为一个处于混战中的电动汽车企业,我想这个数据早就应该心知肚明了吧,小鹏汽车不也自己搞了个“有鹏出行”?

这个车队的数量,再加上大客户的购买量在小鹏G3的总体销量中占据多少份额,相信小鹏汽车自己再清楚不过了。

我们需要承认这就是中国电动汽车的现状,这是一个无法否认的事实,也是一个必经的阶段。毕竟在现阶段的充电基础设施之下,纯电动汽车原本就只能是特定场景的应用。

正是在运营市场的基数累积,电动汽车才有机会不断迎来进化变革:续航里程从此前的200公里提升现在的500公里,甚至超过600公里续航的汽车也已经出现。

正是电动汽车从集约化市场入手,才能在产销量上不断增加实现规模效应,而后诞生高品质的电动智能汽车。

我们相信,政府用车、网约车、出租车等等特定用车场景将会继续成为电动汽车主要市场和投放地。

在规模体量增大之后,电动汽车的成熟和售价的日趋合理,以及充电基础设施的不断完善,将逐渐得到私人用户的认可。

且看看特斯拉被市场的追捧热度,以Model 3 为主销车型的产销量的大扩张,就知道一辆真正的电动智能汽车,市场还是有很大的需求量。

2020年也将是大众、丰田、现代等跨国车企新能源汽车的发力期,特斯拉上海工厂的正式量产将带动新能源汽车行业的智能化,带动新能源汽车在更加激烈竞争中的实现升级换代和产销量增长。
1月至10月,我国动力电池产量和装车量分别为70.1GWh和46.2GWh,同比增长32.2%和33.2%。

随着宁德时代、比亚迪、松下、LG化学等等动力电池车企全面能扩,动力电池技术逐步成熟和稳定、市场需求量的增大、市场竞争更加充分,将有望带动三元锂电池成本的持续下降。

作为燃油车向电动汽车演化的衔接车型,随着国六标准的尘埃落定,插电混合动力车型将会更加丰富,售价也会加加合理,性价比的提升将获得更多用户的青睐。

在充电基础设施方面,据中国电动充电基础设施促进联盟数据,截至2019年10月,全国公共类充电桩共计47.8万台, 主要的充电运营企业有:14万台的特来电、10.5万台的星星充电、8.8万台的国家电网等等。

充电站正在大规模普及当中,比如广东省交通集团将在年底前建成183座充电站,初步覆盖广东省干线高速公路。到2020年6月底,广东省内将基本实现高速服务区充电站的全面覆盖。

从政策因素方面,2019年正式全面实施的双积分政策,将在2020年迎来考核期。车企将从以往的“不得不”生产新能源汽车,转变为主动研发和生产符合市场需求的电动汽车。

《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》征求意见稿中提到,“制定将新能源汽车研发投入纳入国有企业考核体系的具体办法”,虽然这是针对一汽、东风、上汽等国有汽车集团,但对于整个汽车行业将有正向的促进作用。

随着在电动汽车在特定用车场景的全面普及,电动汽车续航里程增加和稳定性增强,动力电池成本的逐步下降,电动汽车将有可能逐渐得到市场的认可,从而在运营市场和私人零售市场同步推进。

电动汽车市场也将在2020年进入全面的整合期,落后的产能将被加速淘汰或兼并重组,还原汽车领域原本的样子,2020年200万的目标虽然艰巨,但不是一件不可能的事情。

相信你也看到了这几年电动汽车可喜的变化,在2020年或许你或者你身边的朋友就会成为电动汽车的用户。

又是一年冬季,为了2020年的春天,电动汽车“加油”跑起来吧。

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