羅姆發(fā)布面向下一代汽車駕駛艙的解決方案白皮書

前言

除了汽車收音機和汽車音響外，車內外還會發(fā)出各種聲音。例如，開啟轉向指示燈，汽車會發(fā)出“滴答、滴答”的轉向提示音。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等電機驅動的汽車，都配備當行人靠近車輛時的聲學車輛警示系統(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。

上面提到的轉向提示音，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，其存在感應該會進一步增加。

圖1 多功能車載儀表盤所需的各種聲音

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等數字音頻格式的數字輸入型，需要根據應用系統(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類放大器的功率轉換效率較低，且IC發(fā)熱較嚴重，但具有不會產生不必要的輻射的優(yōu)點。而D類放大器，雖然功率轉換效率高，且IC發(fā)熱量少，但會產生不必要的輻射，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，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。

圖2 過電流保護電路的波形示意圖

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。在某些情況下甚至會損壞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

3   ROHM的新產品“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量較少的AB類。該系列產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。

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)熱溫度高于芯片結溫，最糟糕時甚至會損壞芯片。也就是說，如果采用限流電路，會導致聲音失真；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。

新產品“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，支持車載應用中的嚴苛環(huán)境

新產品符合汽車電子產品可靠性標準AEC-Q100，支持工作溫度達 Ta=105℃，因此在追求高可靠性的車載應用領域中也可放心使用。該系列產品采用功率封裝（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，可防止產生意外的POP噪聲。因此，該系列產品有助于構建一個可適用于各種環(huán)境的強健系統(tǒng)。

3-3.　通過內置電阻，減少元器件數量

在該輸出范圍的AB類放大器中，設置音量時用于調整信號增益的輸入電阻和反饋電阻通常是外置的。新產品通過將該電阻內置，減少了元器件數量，縮小了印刷電路板的安裝面積。另外，該系列產品共有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整。僅在頻繁調整增益的樣品評估時，才會使用26dB的產品“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，即使內置電阻，也不會增加設計工時。目前6dB、10dB、26dB機型已經開始量產，其他產品也將陸續(xù)發(fā)布。

圖4 符合AEC-Q100標準且具備各種保護功能的“BD783xxEFJ-M”

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成為必然需求，未來隨著CASE（Connected, Autonomous, Shared, Electric）時代的到來，預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的目標應用產品的電源電壓在5V以下，下一款車載D類揚聲器放大器產品將支持與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，產品陣容中除了模擬輸入型外，還計劃推出數字輸入型和多通道型等共4款產品，以滿足各種應用產品的需求。例如，數字輸入型支持TDM（Time Division Multiplexing）格式。在1個系統(tǒng)中最多可連接8通道揚聲器，可增加應用設計的可選項，提高應用設計的靈活性。

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。