除了汽车收音机和汽车音响外,车内外还会发出各种声音。例如,开启转向指示灯,汽车会发出“滴答、滴答”的转向提示音。另外,启动用来避免发生撞击的制动系统时,会响起警告音,这是高级驾驶辅助系统(ADAS)的功能之一。近来,xEV等电机驱动的汽车,都配备当行人靠近车辆时的声学车辆警示系统(AVAS)。除此之外,汽车还会发出其他的各种语音,如启动引擎时的欢迎语、ETC的提示音等。
图1.多功能车载仪表盘所需的各种声音
上面提到的转向提示音,以前听到的是机械继电器的切换声,但实现电子化之后,即使不用继电器,也会有声音从扬声器中传出。这只是我们从声音中获取重要信息的一个例子,未来,随着AI或自动驾驶技术的发展,对人与汽车之间的双向交流会有更高的要求,因此,声音作为促进双向交流的工具之一,其存在感应该会进一步增加。
扬声器系统的组成
输出上述ADAS和AVAS语音的系统,大致分为使用蜂鸣器的系统和使用扬声器的系统。前者虽然成本很低,但可播放的频率有限。而后者与音频设备一样,可在更宽的频段播放。很长一段时间以来,驾驶舱周围只需要转向提示音和蜂鸣声就足够了,不需要多样化的语音。但现在,由于驾驶舱周围所需要的语音呈现多样化趋势,导致出现没有扬声器就无法配置系统的局面。
因此,扬声器放大器IC就变得必不可少。扬声器放大器IC是用于放大SoC(System On a Chip)等输出的语音信号,使电流流向扬声器来实现驱动的IC。语音信号格式有两种,一种是输入正弦波等模拟信号的模拟输入型,另一种是使用I2S等数字音频格式的数字输入型,需要根据应用系统区分使用。另外,扬声器放大器IC的输出方式大致分为AB类放大器和D类放大器,虽然AB类放大器的功率转换效率较低,且IC发热较严重,但具有不会产生不必要的辐射的优点。而D类放大器,虽然功率转换效率高,且IC发热量少,但会产生不必要的辐射,故需要在输出端配置LC滤波器。因此通常在容许的发热量范围内,采用AB类放大器;在需较大输出功率且不容许发热时,采用D类放大器。
扬声器放大器的课题
无论采用何种输出方式,车载扬声器放大器都需具有高可靠性,且兼具大功率输出(音量大)和安全性。可靠性的重要性是毋庸置疑的,但大功率输出与安全性之间是此消彼长的关系,两者兼具的难度非常大。要实现大功率输出,就需要使大电流流向扬声器,也就相当于加大IC的输出晶体管尺寸。但若输出晶体管尺寸变大,例如在扬声器发生故障出现短路时,输出引脚间就可能有大量电流流过。在某些情况下甚至会损坏IC,进而影响汽车的安全性。为防止这一情况的发生,有必要在IC上搭载过电流保护电路,传统的扬声器放大器IC采用的是限制负载电流的方式。但采用这种方法时,必须将过电流保护电路的工作阈值设置为小于可输出的最大电流的值,如图2所示。因此存在最大输出功率受限,且在大功率输出时发生波形(声音)失真的问题。
图2.过电流保护电路的波形示意图
ROHM的新产品“BD783xxEFJ-M”
ROHM开发出兼具大功率输出与安全性,完美解决这一问题的车载仪表盘用扬声器放大器“BD783xxEFJ-M”。该系列产品以仪表盘中需求最多的5V电源运行、且输出功率1～2W为主要目标,输入方式采用了模拟输入,输出方式采用了元器件数量较少的AB类。该系列产品具备如下所示的三大优势。
3-1. 具有过电流保护功能,且实现了2.8W大功率输出
新产品“BD783xxEFJ-M”采用新研发的过电流保护电路,兼顾了大功率输出与安全性。在电源电压5V、负载4Ω的条件下,输出功率可达2.8W(THD+N<10%),并且其保护功能可防止扬声器引脚输出短路引发的故障。
图3.车载仪表盘用搭载过电流保护功能的扬声器放大器输出功率比较
通常,AB类放大器的过电流保护电路多使用“限流器电路”,如上所述,通过限制输出电流,虽然可防止过电流的流出,但也限制了输出功率。要想不限制输出功率并保护产品免受过电流影响,就需要采用“峰值电流保护电路”,正如字面意思所示,这是一种检测峰值电流并停止输出的机制。在输出电流超过最大电流时,可采用这一方式检测电流,但在输出的偏置电压较低的情况下,如启动时或欠压时,即使输出短路,输出电流的最大值也不会超过阈值,因此保护电路不会工作。因此,峰值电流保护电路的缺点就是IC发热温度高于芯片结温,最糟糕时甚至会损坏芯片。也就是说,如果采用限流电路,会导致声音失真;如果采用峰值电流保护电路,则存在无法保护的情况。
为解决这一问题,ROHM研究并设计出综合了这两种电路优势的新型过电流保护电路(专利申请中)。该技术在启动时或欠压时等不需要输出大功率的情况下,会启动限流电路,以防止IC发热;在正常运行时,会自动切换为峰值电流保护。这是一种综合具备两种保护电路优点,并可实现大功率输出的技术。
新产品“BD783xxEFJ-M”搭载了这一新型过电流保护电路,可切实保护IC免受负载短路影响,且在输出大功率时也不会出现失真的情况。
3-2. 可靠性高,支持车载应用中的严苛环境
新产品符合汽车电子产品可靠性标准AEC-Q100,支持工作温度达 Ta=105℃,因此在追求高可靠性的车载应用领域中也可放心使用。该系列产品采用功率封装(HTSOP-J8),在通常发热量较大的AB类放大器中,即使在105℃的工作温度条件下也可实现大功率输出。该封装虽然是引线框架型封装,尺寸较小,仅为4.9mm×6.0mm×1.0mm,但在使用4层电路板时(依据JEDEC51-5,7标准)的θJA仅为45.2℃/W,散热性能非常出色。采用该封装,相较于ROHM以往的产品,芯片温升降低了80%(条件:VCC=5V, RL=8Ω, THD<10%),即使是在Ta=105℃的严苛条件下,也能在不损害功能的前提下输出语音,这是以往的封装无法实现的。另外,在功能方面,为了提高其可靠性,除过电流保护电路之外,还搭载了其他保护电路。在出现异常发热时,通过温度保护功能,可防止IC受到损坏;在蓄电池瞬断时,通过欠压保护功能,可防止产生意外的POP噪声。因此,该系列产品有助于构建一个可适用于各种环境的强健系统。
图4.符合AEC-Q100标准且具备各种保护功能的“BD783xxEFJ-M”
3-3. 通过内置电阻,减少元器件数量
在该输出范围的AB类放大器中,设置音量时用于调整信号增益的输入电阻和反馈电阻通常是外置的。新产品通过将该电阻内置,减少了元器件数量,缩小了印刷电路板的安装面积。另外,该系列产品共有11款机型,增益范围为6dB～26dB(以2dB为增量),可进行精细的增益调整。仅在频繁调整增益的样品评估时,才会使用26dB的产品“BD78326EFJ-M”,通过在各输入引脚添加评估用的电阻,无需更换IC就可以轻松进行评估,即使内置电阻,也不会增加设计工时。目前6dB、10dB、26dB机型已经开始量产,其他产品也将陆续发布。
未来发展趋势
正如本文开头所述,驾驶舱周围的语音多功能化已经成为必然需求,未来随着CASE(Connected, Autonomous, Shared, Electric)时代的到来,预计这一需求将会进一步增长,而且还会有更大功率输出需求。此外,在车内布局方面,传统的驾驶舱和车载音响之间的界限将会消失,语音的使用方式也将变得更加多元化。
为了满足这些需求,ROHM需要不断扩充扬声器放大器的产品阵容。本次推出的BD783xxEFJ-M是车载AB类扬声器放大器,目前ROHM还正在开发车载D类扬声器放大器。BD783xxEFJ-M的目标应用产品的电源电压在5V以下,下一款车载D类扬声器放大器产品将支持与12V电池连接,并可实现4W以上的大输出功率。对于支持12V电源的车载级扬声器放大器IC来说,虽然目前的主流产品是AB类放大器,但随着驾驶舱和车头单元用的ECU(Electric Control Unit)对节省空间的要求越来越高,散热用散热器正在成为技术瓶颈。为解决这一瓶颈问题,ROHM通过在扬声器放大器中采用D类放大器系统,为实现小型化做出了很大贡献。
作为第一波车载D类扬声器放大器,与BD783xxEFJ-M一样,产品阵容中除了模拟输入型外,还计划推出数字输入型和多通道型等共4款产品,以满足各种应用产品的需求。例如,数字输入型支持TDM(Time Division Multiplexing)格式。在1个系统中最多可连接8通道扬声器,可增加应用设计的可选项,提高应用设计的灵活性。
第二波车载D类扬声器放大器计划于2021年出售样品,未来,ROHM将继续致力于车载扬声器放大器IC的开发,为提高汽车的安全性和舒适性贡献力量。