如何選擇D類立體聲音頻功放IC
發(fā)布日期:2022-09-10
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為電子產(chǎn)品選擇合適的器件是一項非常復(fù)雜的事情，常常要在許多方面反復(fù)進(jìn)行折中，例如D類音頻放大器就是這種器件。
下面通過一個假設(shè)的應(yīng)用，例如由墻上電源適配器或堿性電池供電的手機(jī)或個人媒體播放器(PMP)底座，來介紹選擇這類放大器的過程。
市場推廣的需求
市場人員可能對產(chǎn)品提出很多具體建議，從一個很小的細(xì)節(jié)(例如，應(yīng)該使用立體聲揚(yáng)聲器)，到一堆要求與競爭產(chǎn)品相媲美的指導(dǎo)意見。市場人員也可能提出讓產(chǎn)品符合業(yè)界的性能標(biāo)準(zhǔn)(如Microsoft Windows Vista或Dolby Digital認(rèn)證)。
在我們的項目中(PMP底座或外置音箱)，我們假設(shè)市場人員要求產(chǎn)品在采用電池供電時，聲音要盡可能大，工作時間要盡可能長，而且當(dāng)電池快耗盡時應(yīng)該溫和適度地降低性能，使用兩個直徑50mm、功率為3W的8Ω揚(yáng)聲器。我們進(jìn)一步假設(shè)，市場人員沒有對底座的傳輸帶寬、線性度或信噪比(SNR)提出更多的意見。
電路約束
如果產(chǎn)品有兩個電源，一個是穩(wěn)壓的12V墻上電源適配器，一個是可選的堿性電池組(采用新電池時的標(biāo)稱電壓為9V，在電能快耗盡時的電壓為6V)。
輸出
功率決定了放大器所需的輸出級拓樸。為向8Ω負(fù)載提供每通道3W的功率，需要4.90Vrms左右的供電電壓，或是6.93V的峰值電壓。由于單端(半橋)布局即使在最好的供電條件下也無法產(chǎn)生所需的功率，必須采用BTL(全橋)拓?fù)洹?/div>
進(jìn)一步說，在最差(6V)的供電電壓時，即使BTL放大器也不能產(chǎn)生維持3W輸出所需的6.93V峰值電壓。不過這可能不是問題，因為接近完全放電的電池一般不可能提供兩個3W揚(yáng)聲器所需的電流了。最終的產(chǎn)品將可以實現(xiàn)市場人員所說的“溫和降級”的特點。
物理/機(jī)械約束
D類音頻放大器的效率要遠(yuǎn)高于線性(AB類)放大器。換言之，如果要給負(fù)載提供一個給定的輸出功率，D類放大器在散熱上浪費的功率要遠(yuǎn)小于相同輸出功率的AB類放大器。
有必要檢查是否需要特殊的熱設(shè)計。假設(shè)，現(xiàn)在有一個合適的立體聲D類放大器，可以在4.5V電壓下工作，由正常工作的電源供電，可以輸出2×3W的足夠功率。
在2×3W輸出功率(驅(qū)動兩個通道)的條件下，效率與輸出功率的關(guān)系圖如圖所示，從圖中可見，器件的典型效率是82%。當(dāng)有了這個指標(biāo)之后，可由下式得出在這些條件下的散熱功率。
η=Pout/Pin=Pout/(Pout+Pdiss)
Pdiss=Pout×(1-η)/η
這里，η為百分比。
效率與輸出功率的關(guān)系曲線
圖 效率與輸出功率的關(guān)系曲線
立體聲輸出是6W(2×3W)，效率是82%，可以計算出Pdiss=1.32W，這可不是一個小數(shù)字。采用器件建議的封裝，不太容易把熱量散發(fā)出去，所以把熱量散發(fā)出去的唯一辦法是通過PCB板上的鍍銅。
因此，在PCB布局階段需要注意，確保暴露在器件下的引腳是與PCB板連在一起的，通過多條路徑連到焊料側(cè)的帶銅接地上。在成本和封裝約束允許的情況下，在PCB板上暴露的銅面應(yīng)該盡可能大，以便將放大器產(chǎn)生的熱量散出去。
這時，D類放大器的評估板是非常有幫助的，生產(chǎn)商提供的PCB布局和元器件的放置位置可以做為很好的參考，并可以通過實驗室測試，知道器件在加負(fù)載情況的溫升，并確保在高溫下器件不會關(guān)斷或發(fā)生誤動作。
EMI約束
EMI約束
D類放大器的輸出級會在電源軌之間快速地開和關(guān)，從而達(dá)到此類器件所特有的高效率。對放置在放大器附近的其他設(shè)備和電路來說，這種快速上升和跌落時間所產(chǎn)生的EMI是非常有害的。雖然對于采用D類放大器時，如何進(jìn)行折中以滿足RF輻射標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)分析超出了本文的論述范圍，下面列出一些可供參考的指導(dǎo)意見。
首先是要了解產(chǎn)品必須滿足的輻射標(biāo)準(zhǔn)，以及在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下希望留出的裕量。
不要假設(shè)所用的D類放大器的開關(guān)頻率是300kHz，不會碰到30MHz或以上的情況，超出這個頻段范圍的輻射經(jīng)常被檢測。在100倍基本開關(guān)頻率的聲頻段，都會出現(xiàn)難以消除的EMI輻射。
揚(yáng)聲器的引線實際上是一個有效的RF輻射天線。引線越長，會出現(xiàn)EMI問題的頻率就越低。
如果在揚(yáng)聲器前使用了LC濾波器，截止頻率為20kHz，就必須檢查電感在整個EMI輻射頻率范圍內(nèi)是否能夠正常工作。
如果在底座外殼內(nèi)有足夠的空間和充足的PCB板面積，在設(shè)計PCB板原型時就可以有多個濾波器設(shè)計方案，這樣就可以在產(chǎn)品進(jìn)行EMC測試時嘗試不同的方案，以達(dá)到所需的性能。
一些放大器提供商發(fā)布了在給定的電纜長度和濾波器元件的條件下，評估套件的RF輻射性能測試結(jié)果，這樣就大大方便了工程師著手進(jìn)行設(shè)計。為了從源頭上減少EMI，大多數(shù)新型D類放大器都使用了專利的調(diào)制技術(shù)，以保證音頻質(zhì)量和效率。
供應(yīng)鏈約束
不幸的是，在為產(chǎn)品仔細(xì)選擇器件之后，要由許多非工程方面的因素來決定是否采用這種器件。下面是一些可能碰到的問題。
● 供應(yīng)商是否通過了采購認(rèn)證？
● 器件供應(yīng)商的技術(shù)支持人員是否勝任？
● 后續(xù)成本滿足目標(biāo)要求嗎？
● 對供貨商能夠以所需的數(shù)量提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品是否有信心？
細(xì)節(jié)設(shè)計
在任何音頻系統(tǒng)設(shè)計中，精細(xì)的外觀可以增加(或減少)用戶對產(chǎn)品的整體體驗。在選擇各個音頻部件的增益時，應(yīng)在避免出現(xiàn)揚(yáng)聲器限幅失真的條件下，使整體的增益結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到高音量。但也不能使增益過大，避免噪聲超出可接受的音量水平。
應(yīng)該使在開機(jī)和關(guān)機(jī)時出現(xiàn)的瞬態(tài)噪聲最小化，但要抑制噪聲，產(chǎn)品、價位和用戶體驗都會發(fā)生變化。對喀嗒聲的抑制性能最終是由放大器決定的。一些生產(chǎn)商在數(shù)據(jù)表中給出了典型的喀嗒聲抑制參數(shù)，這樣就可以在進(jìn)行聽覺測試前,對不同器件進(jìn)行比較。
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