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Dossiers

Audio automobile à haut rendement avec un son de qualité

Par Klaus Neuenhüskes, Marketing Semiconducteurs, Toshiba Electronics Europe

Publication: 10 juin

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Relever le défi du rendement énergétique et de la qualité sonore de la prochaine génération d’autoradios...
 

L’industrie automobile subit toute une série de changements allant du groupe motopropulseur à la conduite assistée voire autonome Indépendamment de la date et de l’ampleur de ces changements, le divertissement embarqué reste un élément important parmi les exigences des acheteurs de voitures

Les systèmes d’info-divertissement modernes sont au cœur de l’expérience conducteur et passager ; ils diffusent des recommandations et des informations de guidage, permettent d’écouter la radio ou de la musique, et deviennent même l’unique interface homme-machine dans certains véhicules. L’élément primordial est un son de haute qualité qui garantisse que la musique soit reproduite fidèlement et que les appels téléphoniques et les instructions de navigation soient aussi clairs que possible, pour éviter de distraire le conducteur.

Autrefois purement mécaniques ou presque, avec très peu de composants électriques, la voiture moderne fait de plus en plus appel à des systèmes électroniques. Les fonctions mécaniques migrent vers des solutions électromécaniques pour gagner du poids et améliorer le rendement énergétique.. Les autoradios devraient aussi contribuer à cet objectif, tout en continuant d’enrichir l’expérience de conduite.

Les consommateurs exigent davantage de leurs véhicules

Entouré d’un large éventail d’appareils grand-public, comme des smartphones que l’on peut personnaliser par le biais d’applications, les consommateurs attendent le même genre d’expérience du système multimédia de leur voiture. Avec l’éventualité de voir les systèmes d’aide à la conduite prendre en charge une partie du stress de la conduite, une enquête consommateurs menée par Accenture a montré un certain intérêt pour la possibilité de surfer sur Internet, de lire ou de dicter des courriels, et de "streamer" (lire en live un contenu provenant d’un site web) de la musique, tout en conduisant.

En fait, cette enquête va jusqu’à montrer que les technologies embarquées, comme le système multimédia, influencent davantage l’achat que les performances du véhicule.

Figure 1 : une enquête Accenture montre l’importance de l’info-divertissement, en particulier pour le streaming audio [Source : Accenture]

Qualité constante pendant toute la durée de vie du véhicule

La clé de tout amplificateur audio est sa capacité à reproduire fidèlement le signal d’entrée. Cependant, l’amplificateur n’est pas un composant isolé à l’intérieur du véhicule. Il s’agit d’un élément entièrement intégré qui fait partie d’une solution plus importante en valeur. Il est donc impératif qu’il soit bien protégé contre d’éventuels dommages. Le propriétaire du véhicule ne doit pas avoir à se rendre chez son concessionnaire à cause d’une défaillance du système audio.

Les contraintes imposées aux fournisseurs de semiconducteurs sont donc extrêmement élevées, et imposent aux amplificateurs audio de résister et de détecter un certain nombre de pannes potentielles. Par exemple, la dégradation du condensateur peut, avec le temps, entraîner l’apparition d’une tension d’offset continue au niveau de la sortie de l’amplificateur. Ceci risque d’endommager les enceintes installées. Les amplificateurs audio modernes comprennent un détecteur de tension d’offset continue pour compenser ce vieillissement.

La taille et le poids sont aussi sous surveillance permanente, tout comme le coût global. La BOM (Bill of Materials, ou nomenclature) doit être analysée avec soin, pour s’assurer que l’objectif de prix est atteint et que la fabrication reste aussi simple que possible.

Le passage à de nouveaux groupes motopropulseurs ou à de nouveaux concepts d’amélioration de la consommation de carburant sont également à prendre en compte. Les systèmes "start-stop" (arrêt-redémarrage automatique) peuvent entraîner des variations importantes de la tension d’alimentation, et les variateurs des véhicules électriques ou des véhicules électriques hybrides sont une source supplémentaire de parasites électromagnétiques. En outre, il existe toute une gamme d’appareils grand-public, tels que les smartphones et les tablettes, qui peuvent aussi contribuer au problème.

Les nouvelles exigences impliquent de nouvelles topologies

Dans la recherche de fidélité de reproduction, d’augmentation de puissance de sortie et d’amélioration du rendement énergétique, une large gamme de topologies d’amplificateurs a été développée au fil des années. Les Classes AB et "AB haut-rendement" sont une évolution des topologies analogiques des Classe A et B. On les trouve encore dans certains systèmes d’info-divertissement bas-de-gamme.

Figure 2 : L’amplificateur Classe AB est l’un des types d’amplificateurs audio les plus courants.

Les amplificateurs Classe AB surmontent les limites de rendement des amplificateurs Classe A, tout en réduisant la distorsion de croisement inhérente aux amplificateurs Classe B. Cependant, comme cette topologie fait fonctionner les transistors dans leur région linéaire, il y a une limite au rendement que l’on peut atteindre.

Les topologies Classe D utilisent des signaux numériques PWM (Pulse Width Modulation, ou modulation de largeur d’impulsion) pour reproduire la sortie analogique souhaitée. Cela se traduit par un rendement beaucoup plus élevé, puisque le fonctionnement de l’étage de sortie n’est pas limité à sa seule région linéaire. La sortie passe par un filtre LC, qui ne transmet que les fréquences audibles du signal audio aux haut-parleurs, en excluant les composantes haute-fréquence des impulsions numériques PWM.

Figure 3 : Les amplificateurs Classe D utilisent des impulsions pour piloter l’étage de sortie, ce qui réduit considérablement la consommation d’énergie.

Atteindre un rendement supérieur avec les topologies numériques

De tels amplificateurs atteignent déjà un rendement supérieur à 90% pour des charges supérieures à 25%, et un rendement supérieur à 50% pour des charges faibles. Cependant, les concepteurs cherchent en permanence à ce qu’une plus grande part de l’énergie disponible parvienne jusqu’aux enceintes, et à ce qu’une moindre quantité de cette énergie soit émise sous forme de chaleur. Le nouvel amplificateur Classe TB (Tied BTL, ou à sortie pontée) de Toshiba, fournit le même niveau de rendement élevé que la classe D à faible puissance, tout en consommant jusqu’à 80% de moins qu’un amplificateur Classe AB. Cela donne un système d’info-divertissement avec un son puissant et dynamique, qui fonctionne à température beaucoup plus basse que celles des générations d’amplificateurs précédentes.

Des économies sont également réalisables au niveau nomenclature. Les amplificateurs Classe TB nécessitent un nombre de composants similaire à celui des modèles Classe AB à haut rendement, tout en ne réclamant que la moitié des composants d’une solution Classe D plus complexe. Ceci est en partie dû au fait que le filtre LC n’est pas nécessaire, ce qui permet de reproduire des sons linéaires au delà de 120 kHz, alors qu’un amplificateur Classe D commence à s’écrouler autour de 20 kHz.

Amplificateur audio Classe TB, TCB701FNG

Les avantages de la topologie Classe TB sautent aux yeux quand on implémente un amplificateur audio utilisant le Toshiba TCB701FNG. Le dispositif fournit quatre canaux audio, délivrant 49W d’audio haut-rendement de grande qualité, avec une distorsion THD (Total Harmonic Distortion, ou distorsion harmonique totale) de 0.02%, et plusieurs fonctions de diagnostic intégrées. Sa robustesse inhérente contre les parasites électromagnétiques réduit également le nombre de composants externes nécessaires, de même que l’absence de filtre LC.

Figure 4 : schéma fonctionnel de l’amplificateur audio TCB701FNG

Le risque de griller les haut-parleurs est évité grâce à un système sophistiqué de protection contre la tension d’offset continue, qui fonctionne en conjonction avec le microcontrôleur hôte. Plusieurs fonctions de protection, notamment de coupure thermique, de protection contre les surtensions, le court-circuit de VCC ou de GND, ou le court-circuit des bornes de sortie, sont également incluses. Une détection de connexion croisée est également implémentée au niveau du circuit de sortie.

D’autres fonctionnalités sont disponibles via une interface I2C. Des fonctions telles que sourdine, mise en veille, ou "fader" (équilibrage) avant/arrière, peuvent être facilement intégrées au logiciel d’info-divertissement et à l’IHM (Interface homme machine). L’interface permet également d’accéder aux offsets (décalages) de sortie, à la détection d’écrêtement et aux fonctions de diagnostic d’intégration.

L’appareil supporte une tension d’alimentation de 6 à 18V continu, ce qui le rend bien adapté aux véhicules équipés d’un système de réduction du ralenti. Pour simplifier l’évaluation, il existe une carte de développement fonctionnant avec un ordinateur mono-carte Raspberry Pi disponible couramment.

Rendement élevé, format compact et hautes performances pour l’audio automobile

Avec l’intégration de systèmes d’info-divertissement de plus en plus sophistiqués dans les véhicules modernes, la qualité audio joue un rôle très important dans les décisions d’achat des consommateurs. Une expérience audio agréable, sans parasites électromagnétiques et délivrant un son puissant, est un différenciateur clé pour les équipementiers automobiles. Grâce à la mise en œuvre d’un amplificateur Classe TB, le TCB701FNG offre une solution compacte, à nomenclature optimisée, et avec un échauffement minimal, qui répond aux besoins des fournisseurs, tout en satisfaisant les attentes musicales de consommateurs de plus en plus exigeants.

http://toshiba.semicon-storage.com/

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