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国内市场上,尽管汽车音响节目源有所扩展,从单一的收音、磁带两用机发展到加入单碟或自动换片的多碟CD机,但对小汽车音响功放来说却基本变化不大,仍为与收音机、磁带机和CD机组成的一体化音响.此类一体化音响,无论生产商标出2×35W还是200W+200W,其实仍为早期双声道功放,其每声道真正有效输出功率不会大于20W,普通产品则不会超过2×6W.最近,国内电子报刊纷纷刊出汽车音响升级的报道,表明有车一族对此并不满足,于是很想了解国外最新汽车音响动向.为此,籍此文向有车一族中音响发烧友介绍.目前国外汽车音响现状有以下特点.
DC变换器重出江湖
之所以说DC变换器“重出江湖”,是因为上世纪40年代的电子管收音机时代,为了向汽车收音机中电子管提供高电压供电,曾广泛采用一种“振动子”变流器,这种变流器的原理是利用机械触点组成双向开关,将12V直流电变换为双向方波,然后通过变压器将脉冲波电压升高,再整流、滤波成为高压直流电,其电路基本原理与现有的晶体管直流变换器是相同的,区别是由机械开关换向,其脉冲频率只在1kHz以下,而且频率也较低.这种机械式振动子变换器一直延用到半导体器件相当成熟,即电子管收音机改为晶体管后,才从汽车音响中消失.
由于小汽车音响受到12V供电的制约,无论输出功率还是音场效果都难以进一步提高.在此情况下,从上世纪末,欧洲生产的汽车音响中开始采用DC-DC变换器,将12V蓄电池供电变换为±24～±50V,向汽车音响提供电源.目前,DC-DC变换器与机械变流器相比,已今非昔比,其开关频率可达100kHz以上,效率接近90%.
汽车音响供电电源中采用DC-DC变换器,而不用升压式开关电源,是经过缜密考虑的.现代的晶体管放大器大部分仍为AB类放大,其工作电流随信号的波动成正比地变化,所以功放实际上构成变动范围极大的负载.为了避免功放输出信号产生削顶失真,要求供电电源有足够的能量储备,当信号峰值瞬间能立即提供较大的电流(一般PMOP即为对功放瞬间峰值功率的标称).显然,也包括了电源瞬间输出电流的能力.
开关电源无论采取PWM还是PCM,其能量输出是由脉冲变压器电磁转换形成的,开关管导通时,向脉冲变压器存储磁能,开关管截止时,磁能转换为电能,向负载提供电压.即使负载电流瞬间增大使输出电压下降,稳压控制系统也只能控制开关管在下一个导通周期延长导通时间,待开关管截止后,输出电压上升,以图补偿负载电流增大的影响.但是,音乐的波动是千变万化的,有时大幅度的冲击信号只是瞬间的事,若信号冲击到来时,开关电源不能及时提供大电流,输出电压必然形成随大信号下降的波形,使信号上冲受限,产生波形失真,等冲击信号过后,PWM电路才使输出电压上升,开关电源再降低其输出电压,以使其输出电压稳定.可惜,这一切为时已晚,在此过程中输出信号难免失真,同时也增大了电源纹波脉冲,使放大器的噪声增大.
直流变换器则不同,变换器的开关管始终以设定脉宽工作,只要开关管有足够的开关电流,它能随时提供其额定功率以内的电压.从此点来说,直流变换器和变压器整流电源没有区别,而且直流变换器的内阻更低,对瞬间大电源的适应能力更强.实际上变换器是不用稳压系统的开关电路,任何开关电源除去脉冲调制,取样误差放大部分实质即为直流变换器.
根据上述原理,上世纪末,欧洲开始在轿车音响上配置直流变换器,与汽车功放配套.1980年,德国生产的MonacorHPB150汽车功放,配备了12V与±25V直流变换器,输出最大电流可达10～15A,使功放有效输出功率可达2×40W,或BTL接法,使输出功率为150W.另一名为“Jensen”的汽车功放所配用变换器,则可将12V电压变换为双电源±30V/15A的输出,可以向四声道放大器供电,输出4×60W的有效功率.其中MonacorHPB150为最早的产品,其功放变换器采用分立件组装成自激推挽式变换器,共采用13只三极管,电路较复杂,装调也不方便.此外,由于自激式振荡电路其工作频率随负载电流变化,脉冲干扰抑制也比较困难.
Jensen功放变换器,则采用传统开关电源它激式驱动器驱动四只MOET开关管组成并联推挽电路,其功放变换器电路如附图所示.该汽车功放中利用MOET管作为开关管,可以提高电源变压器的工作频率,有利于抑制脉冲干扰,同时还可以减小电源变压器体积.变换器的振荡器和控制系统全部集成在IC1(TL494)内部.TL494原设计为它激式开关电源驱动控制器,内部除含有振荡器、脉宽调制器以外,还有基准电压稳压电路、死区时间控制电路和两组比较器组成的误差检测电路.TL494在该电路中构成它激式变换器,只利用了其振荡器和驱动电路,用作驱动开关管的脉冲信号源,因而与常规用法有所不同.在该电路中,TL494第5、6脚外接时间常数电路(C3、R5),振荡器产生80kHz的脉冲信号,经TL494内部双稳态触发器控制,变成两路时序不同的驱动脉冲,驱动两组驱动放大器.TL494内部两组驱动级,由第9、10脚输出时序不同的正向驱动脉冲.为了避免在两路脉冲交替处推挽开关管VT3、VT5和VT4、VT6同时导通,TL494第4脚外接R6、C2、R4设定死区时间.一组驱动脉冲使推挽电路一臂导通后,相隔一死区时间,才发出另一组驱动脉冲,使另一臂导通(第4脚电压值越高,死区时间越长).TL494第1、2脚为两组取样放大器的同相和反相输入端,可控制内部比较器组成的脉宽调制器设定占空比.在该变换器中,TL494的各脚功能及应用如下：
第1脚为第一组误差放大器的同相输入端.电路中以R2接地,使之为低电平.
第2脚为第一组误差放大器的反相输入端,由R7接入5V基准电压.当第2脚输出高电平时,误差放大器输出端(第3脚)输出恒定的低电平,该电平在TL494内部控制比较器组成的PWM调制器,输出最大脉宽45%,其余5%作为死区时间.另外,第2脚外接为软启动电容器,开机瞬间充电使第2脚瞬间为低电平,误差放大器输出高电平,随充电电压升高,第2脚电压升高,第3脚电压降低,使PWM比较器输出脉宽缓慢增大到额定脉宽,避免开机冲击电流损坏开关管.
第3脚为误差放大器输出端,外接R3、C1为避免误差放大器振荡而设.
第4脚为死区时间控制端,通过R6、R4从5V基准电压分压得到0.05V死区时间控制电压,使两组驱动脉冲之间有占脉宽5%的间隙.第4脚电平达到0.3V时,驱动脉冲被关断.
第5、6脚为振荡频率控制端,外接R5、C3设定振荡器产生约80kHz的振荡脉冲,微调R5可使振荡频率为100kHz.C3、R5与振荡频率的关系为：ｆ(kHz)＝1.2/R(kΩ)·C(μF).
第7脚为共地端.
第8、11脚为内部两路驱动放大管的集电极开路输出端,接12V供电正极.该变换器中,为了得到两路时序不同的正向驱动脉冲,驱动信号由两管发射极(第9、10脚)输出.
第9、10脚为内部两路驱动放大管的发射极输出端.
第12脚为供电端,接汽车12V电源.
第13脚既为输出模式控制端,又为内部双稳态触发器供电端.当该端为高电平5V时,双稳态触发器随触发电平翻转,驱动放大器得到两路时序不同的输出脉冲,用于驱动推挽开关.当该端为低电平0V时,双稳态电路停止工作,输出时序相同的、连续的驱动脉冲,用于驱动单端开关,此时最大脉冲宽度可达90%.该变换器为推挽电路,第13脚接5V基准电压.
第14脚为IC内部基准稳压电路输出端,输出5±0.25V基准电压,最大电流为50mA.该基准电压除向集成电路振荡器、误差放大器提供基准电压外,还引出变换器,向放大器过载保护电路提供工作电压.
第15、16脚为第二组误差放大器的反相、正相输入端.该变换器用其控制脉冲的功能作为功放过载、机内超温保护电路.反相输入端(第15脚)接入5V基准电压,正相输入端(第16脚)作为保护高电平输入.正常状态下,第16脚由R8接地为低电平,第15脚为高电平,其放大器输出低电平,对脉宽调制比较器无影响,比较器输出第一组误差放大器设定的最大脉宽.当任何一组保护电路动作时,输出的高电平经隔离二极管VD1或VD2加到第16脚,第二组误差放大器输出5V高电平,关断PWM比较器,输出驱动脉宽为零,变换器无输出电压.
该功放变换器中,TL494第9、10脚输出时序轮换的正向驱动脉冲,经VD3、VD4分别驱动两臂并联的MOET开关管,C5、C6、R15和R16作为开关管截止时反向尖峰脉冲的吸收电路.R11～R14用以隔离MOET管栅-源极输入电容器,VT1、VT2为开关管灌电流通路,以加快截止时间.当开关管导通时,其栅-源极被充电,驱动脉冲进入截止期时,输入电容器放电使VT1、VT2导通,其集-射极为放电通路,以使开关管迅速截止.为了控制变换器的开/关,TL494第8、11、12的12V供电经音响开关SW接入蓄电池,SW接通,TL494才开始进入工作状态,这种关闭方式使开关电流极小.为了降低汽车点火系统对变换器的干扰,变换器12V输入电压经L1、C7组成的滤波器.VD5作为电源的反接保护.
脉冲变压器T1的次级,由四只肖特基二极管作大电流桥式整流,正负输出端同时接入π式滤波器,以滤除开关脉冲纹波.T1可选用相对导磁率为2000、42×28×10(mm)的磁芯,初级用Φ1.2mm的漆包线绕2×7匝,次级用4根Φ1mm漆包线并绕2×15匝.L1用Φ2mm的漆包线在Φ16mm的骨架上绕10匝,旋入相对导磁率不小于800的M10磁芯.L2、L3在Φ10mm骨架上用Φ1mm的漆包线绕10匝,绕组的占宽不超过20mm,骨架内旋入M6的磁芯.
大功率的直流变换器,初级12V供电电流也极大,当次级±30V负载电流为10A时,其输出功率约600W,12V电源的最大电流约50A.所以四支开关管选用IDs为30A,VDs为60V的MOET管.两管并联运用时,推挽每臂开关电源最大值为60A.实际应用时,由于功放并非一直处于最大电流,因此供电保险丝用30A已足够.
Jensen功放的变换器具有独立的双层屏蔽外壳,安装时与功放各自独立,变换器应装在蓄电池附近,其输入端与蓄电池之间用3～5平方毫米的铜条连接,中间不经任何开关、继电器之类,由SW端控制TL494的启闭.该变换器与功放间供电电路的三根连线也采用较大截面积,以降低大电流损耗.
国外汽车音响的功放电路
解决供电电源以后,功放电路的设计基本上都采取正负双电源供电的OCL放大器,放大器电路与通常OTL电路无什么区别.从MonacorHPB150、PowerAmper250以及Jensen、PP14240等欧洲最新大功率汽车功放电路看出,都具有以下特点：
1.多声道设置均采用四声道系统,前后左右四只全频带音箱由四组相同的功放驱动.由于受汽车内空间限制,中置声道显得多余,前面左右两只扬声器的声场完全可以对称节目内容(如歌声和声场中部乐器)形成虚拟的中置声场.同时,四只全频带音箱均采用6.5英寸中、低音单元,故不设置重低声道,如此将一般的5.1声道压缩为汽车音响专用的四声道系统.
2.为了适应多种播放软件的声场格式,有的功放前级电路有声场处理电路,可以将单声道信号转换为虚拟双声道,或者将普通双声道立体声处理成模拟环绕声、SRS等环绕声场.
3.为了扩展汽车音响的功能,功放输入端还设有0.5～1.5V的外输入端口和2.5～10V的高电平线路输入端,其输入阻抗一般为10～20kΩ.有的功放还设有50～200Ω的低阻抗输入端.
4.高级汽车的功放除采用多声道系统以外,还采用前级电子分频电路,经12～18dB
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/OCT的分频电路输出高、中、低音驱动信号,分别经独立的功放末级驱动相应的单元.5.四声道或两声道的汽车功放在前级都设有切换开关,可以将两声道放大器改接成BTL输出,使输出功率更大,以便采取BTL放大单元作为独立的重低音放大器.
汽车音响加入变换器以后,将使汽车音响和家用音响功放并轨,只要有足够容量的蓄电池,便可以随心所欲地进行多声道组合以及前级电子分频的组合.据国外资料称,汽车音响还和防盗、GP5导航设备成为一体,对汽车音响的控制也减化到最低程度,更多的功放是自动调整,如根据车速、外界噪音自动控制合适的音量,遇到紧急状态时自动关闭等功能.