Klasse-D-Audioverstärker: Was spricht für den Einsatz im Kfz-Infotainmentsystem?

Infotainment-Systeme bieten immer umfangreichere Möglichkeiten, zeitgleich wachsen die Herausforderungen für die Entwickler. In diesem Beitrag klären wir, welche Designaspekte bei Audioverstärkern in Kfz-Infotainmentsystemen zu beachten sind.

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Fujitsu Technology Solutions GmbH

Sicher haben Sie schon all die neuen Technologien gesehen, die heute in modernen Autos zum Einsatz kommen. Das alles ist ganz schön eindrucksvoll, zumal einige dieser Technologien auch schon in Fahrzeugen der Kleinwagen- und Mittelklasse angeboten werden. Von einer Voraus-Kollisionswarnung mit Notbremssystem, über Spurhalteassistenten bis hin zu vollautomatischen Einparksystemen.

Auch beim Infotainment ist der Fortschritt rasant. Neue Systeme nehmen sich der Navigations-, Musik-, Radio- und Streamingdienste in Fahrzeugen an. Da die Kunden vermehrt Fahrzeuge der Einstiegs- und Mittelklasse kaufen, hegen sie zunehmend die Erwartung, dass das Infotainment-System dieser Fahrzeuge ein großes LCD-Touchscreen besitzt, wie man es von Smartphones und Tablets kennt. Ebenso wird erwartet, dass das Fahrzeug Bluetooth und Wi-Fi unterstützt, um das Streamen von Musik, Podcasts usw. zu ermöglichen.

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Platzbedarf

Einige fortschrittliche Features benötigen ihre eigenen Prozessoren und Sensoren, die sich in der Regel in einem eigenen elektronischen Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) hinter der Armaturentafel befinden. Da der Platz hier sehr knapp ist, suchen Tier-1-Zulieferer solcher ECUs stets nach Möglichkeiten, den Platzbedarf dieser Steuergeräte (einschließlich der Infotainment Head Unit, in der sich die Radio- und Audioverstärker befinden) zu verringern, damit mehr Platz für fortschrittliche Features bleibt.

Wärmeentwicklung

Das Hinzufügen von immer mehr Features verlangt nach mehr und mehr Verarbeitungsleistung. Leistungsfähigere SoC-Prozessoren (System-on-Chip) aber arbeiten deutlich schneller, nehmen meist mehr Leistung auf und entwickeln demzufolge mehr Wärme. Die größeren LCD-Touchscreens moderner Infotainment-Systeme aber können durch die Wärme, die in der Infotainment Head Unit erzeugt wird, beeinträchtigt werden. Dies veranlasst die Tier-1-Zulieferer von ECUs zur Suche nach Möglichkeiten, die Gesamt-Wärmeentwicklung in den Head Units zu reduzieren.

Tier-1-ECU-Zulieferer haben bisher Klasse-AB-Audioverstärker in ihren Infotainment Head Units eingesetzt. Allerdings sind Verstärker dieses Typs deutlich ineffizienter als neuere Klasse-D-Verstärker (Bild 1). Dies ist durchaus von Belang, denn die Audioverstärker sind im Auto nach dem SoC die zweitgrößte Wärmequelle in der Head Unit. Je mehr Wärme aber im Gehäuse der Head Unit erzeugt wird, umso mehr sind die Designer gefordert, einen deutlich größeren passiven Kühlkörper oder einen mechanischen Lüfter einzubauen. Beides aber läuft den Bemühungen zuwider, die Gesamtabmessungen der Lösung zu verringern.

Auf der Consumer Electronics Show (CES) 2018 demonstrierte Texas Instruments den branchenweit ersten, mit 2,1 MHz schaltenden Klasse-D-Automotive-Audioverstärker mit Analogeingang. Wir entwickelten den TPA6404-Q1 mit dem Ziel, die mit der Größe und Wärmeentwicklung von Infotainment Head Units zusammenhängenden Probleme optimal zu lösen.

Klasse-D-Verstärker schalten den Verstärker in der Regel mit rund 400 kHz ein und aus. Die deutliche Anhebung dieser Frequenz auf 2,1 MHz im Klasse-D-Verstärker TPA6404-Q1 erlaubt die Verwendung eines deutlich geringeren Induktivitätswerts im Ausgangsfilter. In Bild 2 ist zu sehen, dass ein 2,1-MHz-Design mit einer neueren Metalllegierungs-Induktivität von 3,3 µH (anstatt der wesentlich größeren 10-µH- oder 8,2-µH-Induktivität, wie sie für einen 400-kHz-Verstärker benötigt wird) die Unterbringung aller acht Induktivitäten einer vierkanaligen Lösung auf demselben Platz wie eine 8,2-µH-Induktivität ermöglicht.

Das Flow-through-Design

Eine weitere wichtige Eigenschaft des TPA6404-Q1, die zu einer platzsparenden vierkanaligen Verstärkerlösung beiträgt, ist das „Flow-through“-Design für das Audiosignal. Bild 3 verdeutlicht, wie die analogen Eingangssignale auf der einen Seite in den Verstärkerbaustein gelangen, während die Ausgangssignale nach erfolgter Verstärkung auf der anderen Seite herauskommen und an die externen Ausgangsfilter weitergeleitet werden.

Kombiniert man die 3,3 µH Metalllegierungs-Induktivitäten mit dem Flow-through-Design, so entsteht der branchenweit kleinste vierkanalige Klasse-D-Verstärker für Automotive-Anwendungen. In Bild 4 ist zu sehen, dass die Komplettlösung mit dem TPA6404-Q1 (bestehend aus dem Verstärker selbst und allen benötigten passiven Bauelementen) nur eine Fläche von 4,5 cm² einnimmt.

Wenn Sie sich darauf konzentrieren müssen, die Gesamt-Lösungsabmessungen und die Wärmeentwicklung Ihres Infotainment Head-Unit-Systems der Einstiegsklasse zu reduzieren, sollten Sie sich über weitere Details zum 2,1 MHz Klasse-D--Verstärker TPA6404-Q1 informieren, die ohne Zweifel hilfreich sein können. Um Ihre Entwicklungszeit zu reduzieren, stehen das TPA6404-Q1 Evaluation Module (EVM) sowie Schaltpläne, Designdateien und Layout-Hinweise als Starthilfe für Ihr Design zur Verfügung.

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* Gregg Burke ist Product Marketing Manager im Bereich Mid-Power Audio Amplifiers bei Texas Instruments

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