如何利用更高阻抗的扬声器提高汽车音频质量

2022-11-3 08:27:22 736 扬声器电源电压

随着汽车油耗标准的不断提高（根据美国环境保护署的规定，2026年每加仑汽油的行驶里程需提升至40英里），汽车音响设计人员面临的挑战是如何提供身临其境的音频体验，同时减轻车辆重量并提高整体效率。

如果需要设计汽车外部放大器，可以通过增加输出功率、利用更高阻抗的扬声器以及在系统中实施H类控制来升级音频系统架构，从而增强用户体验。本文将详细介绍每种方法，包括这些方法对音频系统重量和性能的影响。

使用更高的电源电压和更高的输出电流支持更高的输出功率

除了原始设备制造商 (OEM) 要求减轻车辆重量外，消费者还希望获得出色的音频性能，能够在车内享受身临其境的音频体验。为了开发能带来这种体验的系统，设计人员喜欢集成性能更强大的低音炮：这些低音炮能够持续输出震耳欲聋的低音，并提供更大动态范围（以分贝计量的最低声音和最高声音之间的差异）的声音复制。

为了增加动态范围以及提高输出功率，可考虑提高输入电源电压。表1展示了在扬声器阻抗增加时为了保持75W输出功率而需要的电源电压和输出电流值。

	相同输出功率
输出功率 (W)	75	75	75
扬声器阻抗 (Ω)	2	4	8
电源电压 (V)	20	26	36
输出电流 (A)	8.7	6.1	4.4

表1：各种通道需求之间的关系（相同功率）

表2展示了增加的功率需求与电源电压/输出电流之间的相关性。在本例中，为了提高输出功率，需要在相同的扬声器阻抗下增加电源电压和输出电流。

	增加的输出功率 (4Ω)			增加的输出功率 (8Ω)
输出功率 (W)	75	100	120	75	100	120
扬声器阻抗 (Ω)	4	4	4	8	8	8
电源电压 (V)	26	31	34	36	42	45
输出电流 (A)	6.1	7.1	7.8	4.4	5.0	5.5

表2：各种通道需求之间的关系（增加功率）

为何高阻抗扬声器可以减轻整体重量

如表1所示，使用高阻抗扬声器的一个好处是，在保持相同输出功率的情况下，输出电流显著下降。进而，由于所需的输出电流降低，也可以减小铜线的相对尺寸（直径）。例如，在相同输出功率下，与4Ω或2Ω扬声器相比，8Ω扬声器可以使用直径更小的铜线，这有助于减轻音频电缆的重量。图1所示的简化安装图展示了一个六扬声器汽车音频系统，每扇车门有一个中音扬声器，后部还有两个额外的扬声器，总共需要大约76英尺的铜线来连接所有扬声器。

图 1：连接典型的六扬声器汽车音频系统所需的铜线长度

增加扬声器阻抗的一个好处是可以减小电缆直径。再加上通常情况下用于将所有扬声器连接到音频外部放大器的布线十分轻量，因此可真正降低音频系统的整体重量。

实施 H 类控制以优化系统效率并进一步减轻重量

如图2所示，在传统的音频系统中，为了提供音频负载所需的峰值功率，电源解决方案通常将所有扬声器的音频放大器电源电压（标记为PVDD）设置为所需的最高电压。

图 2：未实施 H 类控制的传统音频系统中的 PVDD

实施“H类控制”技术（使用汽车D类音频放大器，例如TAS6584-Q1）可以优化提供给放大器的PVDD电压（请参阅图3），并动态跟踪音频波形的包络。H类控制可以显著提高音频设计的效率，并节省了原本PVDD电压固定为42V时会耗散的功率。

图 3：采用H类控制的PVDD

为了进一步说明H类控制对效率的影响，让我们看一下表3中的数据。表3使用基于TAS6584-Q1的汽车H类音频和跟踪电源参考设计来启用或禁用H类控制，比较了系统中的电源输入 (Pin) 与功耗 (Pout)。利用H类控制，升压电源控制器和音频放大器之间的系统效率增益接近10%。

10 秒音频剪辑	Pin	Pout	系统效率
不启用 H 类	49.33	33.93	68.8%
启用 H 类	43.02	33.90	78.7%

表 3：使用 H 类控制提高效率

如图 4 所示，提高效率还可以降低外部放大器的总体功率损耗。

图 4：不使用 H 类控制降低总体功率损耗

为了进一步说明这一点，让我们看一下TAS6584-Q1音频放大器和LM5123-Q1升压控制器电源在启用和禁用 H 类控制时的热像仪图像，并比较它们的热特征。图 5 展示了 H 类控制的实施如何显著降低总热负荷。

如图 5 所示，H 类控制效率的提高（通过降低功率损耗）有助于降低热负荷，从而可以选择更小的散热器来散发内部热量。

图 5：不采用和采用 H 类控制时的温度对比

波形	配置	LM5123 MOSFET 温度 (°C)	TAS6584-Q1 电感器温度 (°C)
1kHZ 900ms 1/8 功率，100ms 全功率	采用H类	56.6 °C	56.4 °C
1kHZ 900ms 1/8 功率，100ms 全功率	不采用H类	76.7 °C	76.2 °C
差异		20.1 °C	19.8 °C