用车规级 D 类音频放大器改进汽车紧急呼叫系统

Cici Chen

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摘要

世界卫生组织（WHO）的数据显示，全球范围内因交通事故造成的死亡人数每年都在增加，而欧洲因交通事故造成的死亡人数却在下降。 ⁽¹⁾基于这些信息，研究发现人们接受医疗护理的速度与其存活机会之间存在着因果关系。

为进一步降低死亡率，智能交通系统催生了紧急呼叫（即e-call）功能。紧急呼叫系统用于在发生交通事故时，利用手机和卫星定位功能与最近的救援中心号码建立电话连接。除了语音连接以外，车载紧急呼叫系统还报告并传输事故地点、事故类型以及车辆相关信息。

Note:
1) 来源： https://iris.who.int/bitstream/handle/10665/375016/9789240086517-eng.pdf?sequence=1

图1: 紧急呼叫（E-Call）系统

汽车紧急呼叫系统要具备高效率以及诊断功能，这对音频系统提出了特殊的要求，例如要求扬声器具备诊断功能和低功耗。本文将以车规级 D 类音频放大器 MPQ7795-AEC1为例，探讨如何改进紧急呼叫系统的音频功能。该音频放大器非常适合空间受限的高功率音频系统。

车规级紧急呼叫系统

图 2 显示了采用MPQ7795-AEC1 实现的典型紧急呼叫系统简化功能框图。

图2: 紧急呼叫（E-Call）系统简化功能框图

紧急呼叫系统由备用电池供电，即使事故导致汽车电池与系统断开连接，紧急呼叫系统也仍能工作。

音频信号的输入前端和输出被组合成单个编解码器，其中包括模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)。由于音频信号路径通过电话为驾驶员和紧急呼叫中心提供语音连接，因此大多数系统只需要一个通道就足够，这个通道中包含1 个麦克风、1 个 ADC、1 个 DAC、1 个 D 类放大器和 1 个扬声器。

DAC 的输出信号具有低电流和低电压能力，MPQ7795-AEC1作为一款理想的 D 类音频放大器能够为信号提供更高的电压和电流能力，用以驱动扬声器中的驱动器。

AB 类放大器和 D 类音频放大器

汽车抬头显示系统中通常有两种音频放大器可供选择：AB 类放大器和 D 类放大器。

AB 类音频放大器实现起来很简单，其使用方便且适用于多种汽车音频系统。这些线性放大器不会产生电磁干扰 (EMI)，而且不需要很多外部电子元件。但其效率极低且散热性能差，因此需要用散热器和风扇来实现被动（甚至主动）热管理。这些额外的外部组件让 AB 类音频放大器总体而言成本高于D 类音频放大器。

D 类音频放大器是一种开关放大器。其功率级始终工作在开关模式下，与 AB 类放大器相比，这最大限度地降低了功耗。此外，D 类音频放大器是一种高效率开关放大器，它几乎不需要热管理。不过，它仍然需要输出电感和 EMI 滤波器来应对EMI 问题。除却这一点，D 类音频放大器因其超高的效率和小尺寸而广泛应用于汽车紧急呼叫系统。

高效率及出色的EMI性能

汽车紧急呼叫系统通常需要大量的电力。MPQ7795-AEC1 可充当 D 类放大器的桥接负载 (BTL) 结构，它完全可以满足汽车紧急呼叫系统的功率要求（见图 3）。

图3: MPQ7795-AEC1 BTL D类放大器

BTL 放大器的输出信号幅度 (V_{OUT_BTL}) 可以与放大器的电源电压 (V_DD)一样高。其输入音频信号和反馈信号耦合到比较器的反相输入，从而创建单端电路。 V_{OUT_BTL} 可通过公式 (1) 来计算：

$$V_{OUT\_BTL}=(2D-1)\times V_{DD}$$

其中D是占空比。

BTL放大器的最大输出功率 (P_{OUT_BTL_MAX}) 可通过公式（2）估算：

$$P_{OUT\_BTL\_MAX}=(V_{DD})^2/2R$$

其中R是扬声器的电阻。

紧急呼叫系统的重要功能之一是让驾驶员尽可能长时间地与紧急服务人员通话，这意味着系统效率要非常高。为提高效率，MPQ7795-AEC1可以将开关频率 (f_SW) 设置为 330kHz、384kHz、470kHz 或者 2.2MHz。在 470kHz 和 2.2MHz 工作频率下，其效率均超过 90%。图 4 显示了 8Ω 扬声器的效率与输出功率之间的关系曲线。此外，MPQ7795-AEC1 集成的150mΩ 低导通电阻 (R_DS(ON)) MOSFET也可提高效率。

图4: MPQ7795-AEC1效率曲线

此外，当选择频率为 2.2MHz 时，由于外部电感数量较少，PCB 面积也可相应减小。图 5 显示了 MPQ7795-AEC1 所具有的小 PCB 面积。

图5: MPQ7795-AEC1的小 PCB 面积

除了具备高效率和小 PCB 尺寸，MPQ7795-AEC1 还具有出色的 EMI 性能，使用 2m 输出电缆也可满足 CISPR 25 Class 5 标准。图 6 显示了 CISPR 25 Class 5峰值传导发射EMI测试结果。

图 6：CISPR 25 Class 5 峰值传导发射 EMI 结果

图 7 显示了 CISPR 25 Class 5峰值平均传导发射EMI 结果。

图 7：CISPR 25 Class 5平均传导发射 EMI 结果

音频放大器的负载检测功能

对汽车紧急呼叫系统来说，在严重事故发生后系统仍保持正常运行非常关键。因此，D类音频放大器必须具有集成检测通信，以便放大器能够将检测结果传送给处理器。一旦发生事故，检测系统可帮助确认扬声器仍然可以实现驾驶员和紧急服务人员之间的通信。

MPQ7795-AEC1 的负载检测功能可以检测负载开路、负载短路、输出对 VDD 短路以及输出对地短路等情况。一旦器件启动，在部件开始切换之前或进入故障状态之前，负载诊断即开始运行。诊断期间，输出处于高阻抗 (Hi-Z) 状态。负载检测通常需要 480ms。如果检测到任何故障情况，MPQ7795-AEC1 即向微控制器 (MCU) 报告故障状态。另外，MPQ7795-AEC1 在负载检测期间不会出现气爆杂音。