羅姆發(fā)布面向下一代汽車駕駛艙的解決方案白皮書
發(fā)布時間:2020-11-01 來源:ROHM 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】除了汽車收音機和汽車音響外,車內(nèi)外還會發(fā)出各種聲音。例如,開啟轉(zhuǎn)向指示燈,汽車會發(fā)出“滴答、滴答”的轉(zhuǎn)向提示音。另外,啟動用來避免發(fā)生撞擊的制動系統(tǒng)時,會響起警告音,這是高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的功能之一。近來,xEV等電機驅(qū)動的汽車,都配備當行人靠近車輛時的聲學(xué)車輛警示系統(tǒng)(AVAS)。除此之外,汽車還會發(fā)出其他的各種語音,如啟動引擎時的歡迎語、ETC的提示音等。
圖1.多功能車載儀表盤所需的各種聲音
上面提到的轉(zhuǎn)向提示音,以前聽到的是機械繼電器的切換聲,但實現(xiàn)電子化之后,即使不用繼電器,也會有聲音從揚聲器中傳出。這只是我們從聲音中獲取重要信息的一個例子,未來,隨著AI或自動駕駛技術(shù)的發(fā)展,對人與汽車之間的雙向交流會有更高的要求,因此,聲音作為促進雙向交流的工具之一,其存在感應(yīng)該會進一步增加。
1.揚聲器系統(tǒng)的組成
輸出上述ADAS和AVAS語音的系統(tǒng),大致分為使用蜂鳴器的系統(tǒng)和使用揚聲器的系統(tǒng)。前者雖然成本很低,但可播放的頻率有限。而后者與音頻設(shè)備一樣,可在更寬的頻段播放。很長一段時間以來,駕駛艙周圍只需要轉(zhuǎn)向提示音和蜂鳴聲就足夠了,不需要多樣化的語音。但現(xiàn)在,由于駕駛艙周圍所需要的語音呈現(xiàn)多樣化趨勢,導(dǎo)致出現(xiàn)沒有揚聲器就無法配置系統(tǒng)的局面。
因此,揚聲器放大器IC就變得必不可少。揚聲器放大器IC是用于放大SoC(System On a Chip)等輸出的語音信號,使電流流向揚聲器來實現(xiàn)驅(qū)動的IC。語音信號格式有兩種,一種是輸入正弦波等模擬信號的模擬輸入型,另一種是使用I2S等數(shù)字音頻格式的數(shù)字輸入型,需要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)區(qū)分使用。另外,揚聲器放大器IC的輸出方式大致分為AB類放大器和D類放大器,雖然AB類放大器的功率轉(zhuǎn)換效率較低,且IC發(fā)熱較嚴重,但具有不會產(chǎn)生不必要的輻射的優(yōu)點。而D類放大器,雖然功率轉(zhuǎn)換效率高,且IC發(fā)熱量少,但會產(chǎn)生不必要的輻射,故需要在輸出端配置LC濾波器。因此通常在容許的發(fā)熱量范圍內(nèi),采用AB類放大器;在需較大輸出功率且不容許發(fā)熱時,采用D類放大器。
2.揚聲器放大器的課題
無論采用何種輸出方式,車載揚聲器放大器都需具有高可靠性,且兼具大功率輸出(音量大)和安全性??煽啃缘闹匾允俏阌怪靡傻?,但大功率輸出與安全性之間是此消彼長的關(guān)系,兩者兼具的難度非常大。要實現(xiàn)大功率輸出,就需要使大電流流向揚聲器,也就相當于加大IC的輸出晶體管尺寸。但若輸出晶體管尺寸變大,例如在揚聲器發(fā)生故障出現(xiàn)短路時,輸出引腳間就可能有大量電流流過。在某些情況下甚至?xí)p壞IC,進而影響汽車的安全性。為防止這一情況的發(fā)生,有必要在IC上搭載過電流保護電路,傳統(tǒng)的揚聲器放大器IC采用的是限制負載電流的方式。但采用這種方法時,必須將過電流保護電路的工作閾值設(shè)置為小于可輸出的最大電流的值,如圖2所示。因此存在最大輸出功率受限,且在大功率輸出時發(fā)生波形(聲音)失真的問題。
圖2.過電流保護電路的波形示意圖
3.ROHM的新產(chǎn)品“BD783xxEFJ-M”
ROHM開發(fā)出兼具大功率輸出與安全性,完美解決這一問題的車載儀表盤用揚聲器放大器“BD783xxEFJ-M”。該系列產(chǎn)品以儀表盤中需求最多的5V電源運行、且輸出功率1~2W為主要目標,輸入方式采用了模擬輸入,輸出方式采用了元器件數(shù)量較少的AB類。該系列產(chǎn)品具備如下所示的三大優(yōu)勢。
3-1. 具有過電流保護功能,且實現(xiàn)了2.8W大功率輸出
新產(chǎn)品“BD783xxEFJ-M”采用新研發(fā)的過電流保護電路,兼顧了大功率輸出與安全性。在電源電壓5V、負載4Ω的條件下,輸出功率可達2.8W(THD+N<10%),并且其保護功能可防止揚聲器引腳輸出短路引發(fā)的故障。
圖3.車載儀表盤用搭載過電流保護功能的揚聲器放大器輸出功率比較
通常,AB類放大器的過電流保護電路多使用“限流器電路”,如上所述,通過限制輸出電流,雖然可防止過電流的流出,但也限制了輸出功率。要想不限制輸出功率并保護產(chǎn)品免受過電流影響,就需要采用“峰值電流保護電路”,正如字面意思所示,這是一種檢測峰值電流并停止輸出的機制。在輸出電流超過最大電流時,可采用這一方式檢測電流,但在輸出的偏置電壓較低的情況下,如啟動時或欠壓時,即使輸出短路,輸出電流的最大值也不會超過閾值,因此保護電路不會工作。因此,峰值電流保護電路的缺點就是IC發(fā)熱溫度高于芯片結(jié)溫,最糟糕時甚至?xí)p壞芯片。也就是說,如果采用限流電路,會導(dǎo)致聲音失真;如果采用峰值電流保護電路,則存在無法保護的情況。
為解決這一問題,ROHM研究并設(shè)計出綜合了這兩種電路優(yōu)勢的新型過電流保護電路(專利申請中)。該技術(shù)在啟動時或欠壓時等不需要輸出大功率的情況下,會啟動限流電路,以防止IC發(fā)熱;在正常運行時,會自動切換為峰值電流保護。這是一種綜合具備兩種保護電路優(yōu)點,并可實現(xiàn)大功率輸出的技術(shù)。
新產(chǎn)品“BD783xxEFJ-M”搭載了這一新型過電流保護電路,可切實保護IC免受負載短路影響,且在輸出大功率時也不會出現(xiàn)失真的情況。
3-2. 可靠性高,支持車載應(yīng)用中的嚴苛環(huán)境
新產(chǎn)品符合汽車電子產(chǎn)品可靠性標準AEC-Q100,支持工作溫度達 Ta=105℃,因此在追求高可靠性的車載應(yīng)用領(lǐng)域中也可放心使用。該系列產(chǎn)品采用功率封裝(HTSOP-J8),在通常發(fā)熱量較大的AB類放大器中,即使在105℃的工作溫度條件下也可實現(xiàn)大功率輸出。該封裝雖然是引線框架型封裝,尺寸較小,僅為4.9mm×6.0mm×1.0mm,但在使用4層電路板時(依據(jù)JEDEC51-5,7標準)的θJA僅為45.2℃/W,散熱性能非常出色。采用該封裝,相較于ROHM以往的產(chǎn)品,芯片溫升降低了80%(條件:VCC=5V, RL=8Ω, THD<10%),即使是在Ta=105℃的嚴苛條件下,也能在不損害功能的前提下輸出語音,這是以往的封裝無法實現(xiàn)的。另外,在功能方面,為了提高其可靠性,除過電流保護電路之外,還搭載了其他保護電路。在出現(xiàn)異常發(fā)熱時,通過溫度保護功能,可防止IC受到損壞;在蓄電池瞬斷時,通過欠壓保護功能,可防止產(chǎn)生意外的POP噪聲。因此,該系列產(chǎn)品有助于構(gòu)建一個可適用于各種環(huán)境的強健系統(tǒng)。
圖4.符合AEC-Q100標準且具備各種保護功能的“BD783xxEFJ-M”
3-3. 通過內(nèi)置電阻,減少元器件數(shù)量
在該輸出范圍的AB類放大器中,設(shè)置音量時用于調(diào)整信號增益的輸入電阻和反饋電阻通常是外置的。新產(chǎn)品通過將該電阻內(nèi)置,減少了元器件數(shù)量,縮小了印刷電路板的安裝面積。另外,該系列產(chǎn)品共有11款機型,增益范圍為6dB~26dB(以2dB為增量),可進行精細的增益調(diào)整。僅在頻繁調(diào)整增益的樣品評估時,才會使用26dB的產(chǎn)品“BD78326EFJ-M”,通過在各輸入引腳添加評估用的電阻,無需更換IC就可以輕松進行評估,即使內(nèi)置電阻,也不會增加設(shè)計工時。目前6dB、10dB、26dB機型已經(jīng)開始量產(chǎn),其他產(chǎn)品也將陸續(xù)發(fā)布。
4.未來發(fā)展趨勢
正如本文開頭所述,駕駛艙周圍的語音多功能化已經(jīng)成為必然需求,未來隨著CASE(Connected, Autonomous, Shared, Electric)時代的到來,預(yù)計這一需求將會進一步增長,而且還會有更大功率輸出需求。此外,在車內(nèi)布局方面,傳統(tǒng)的駕駛艙和車載音響之間的界限將會消失,語音的使用方式也將變得更加多元化。
為了滿足這些需求,ROHM需要不斷擴充揚聲器放大器的產(chǎn)品陣容。本次推出的BD783xxEFJ-M是車載AB類揚聲器放大器,目前ROHM還正在開發(fā)車載D類揚聲器放大器。BD783xxEFJ-M的目標應(yīng)用產(chǎn)品的電源電壓在5V以下,下一款車載D類揚聲器放大器產(chǎn)品將支持與12V電池連接,并可實現(xiàn)4W以上的大輸出功率。對于支持12V電源的車載級揚聲器放大器IC來說,雖然目前的主流產(chǎn)品是AB類放大器,但隨著駕駛艙和車頭單元用的ECU(Electric Control Unit)對節(jié)省空間的要求越來越高,散熱用散熱器正在成為技術(shù)瓶頸。為解決這一瓶頸問題,ROHM通過在揚聲器放大器中采用D類放大器系統(tǒng),為實現(xiàn)小型化做出了很大貢獻。
作為第一波車載D類揚聲器放大器,與BD783xxEFJ-M一樣,產(chǎn)品陣容中除了模擬輸入型外,還計劃推出數(shù)字輸入型和多通道型等共4款產(chǎn)品,以滿足各種應(yīng)用產(chǎn)品的需求。例如,數(shù)字輸入型支持TDM(Time Division Multiplexing)格式。在1個系統(tǒng)中最多可連接8通道揚聲器,可增加應(yīng)用設(shè)計的可選項,提高應(yīng)用設(shè)計的靈活性。
第二波車載D類揚聲器放大器計劃于2021年出售樣品,未來,ROHM將繼續(xù)致力于車載揚聲器放大器IC的開發(fā),為提高汽車的安全性和舒適性貢獻力量。
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