德州儀器升壓變換器及音頻放大器，助力拉桿音箱長續(xù)航
發(fā)布日期:2023-01-12
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Other Parts Discussed in Post: LM5155, TAS5825P
By Eileen Zhang
拉桿音箱通常為一種帶有拉桿和輪子的無線音箱，如圖1所示。由于拖拉方便，易于移動，并且在室外可以提供足夠的響度，拉桿音箱廣泛應(yīng)用于各種戶外活動中，如廣場舞、演唱會、婚禮、會議、瑜伽練習(xí)等。拉桿音箱的主要消費市場在中國，也出口到東南亞，歐美等地區(qū)。
拉桿音箱有多種功率等級，從數(shù)十瓦到數(shù)百瓦不等。影響拉桿音箱功率等級的因素有音量的大小，低音炮的功率等。舉例來說，一款20W的拉桿音箱，通常帶有一個5英寸的低音喇叭；而一款100W的拉桿音箱，通常帶有一個18英寸的低音喇叭。圖2所示為一款帶有屏幕的中高端拉桿音箱。
圖1. 拉桿音箱（基本款） 圖2. 拉桿音箱（帶屏幕）
為同時滿足便攜性需求并提供足夠的功率，拉桿音箱通常配備了12V鉛酸電池。對于30W以上的拉桿音箱，12V電池不足以給后級的音頻功放提供足夠的功率，需要升壓電路將電池電壓升壓至15V~48V以滿足不同功率需求。圖3所示為典型的拉桿音箱電源系統(tǒng)示意圖。
圖3. 拉桿音箱電源系統(tǒng)示意圖
升壓控制器LM5155在拉桿音箱中的應(yīng)用
LM5155是德州儀器的全新一代升壓控制器， 在拉桿音箱的應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢：
支持3.5-V 到45-V寬范圍輸入，適用于不同種類電池
內(nèi)置1.5A的門極驅(qū)動電路，可驅(qū)動大電流MOSFET，適用于大功率音箱的設(shè)計。相比市面其他升壓方案，LM5155可顯著提升效率，降低功耗，從而延長拉桿音箱續(xù)航時間。
整體方案尺寸小，設(shè)計簡單，BOM成本低：
芯片采用小尺寸的WSON封裝，僅為3mm×2mm，如圖4所示。
支持高開關(guān)頻率 （100 kHz to 2.2 MHz），可有效減小外部電感電容的尺寸，降低成本。
工作頻率可編程， 同時提供外部時鐘同步， EMI設(shè)計更為靈活
支持可編程欠壓保護(hù)(UVLO)及軟起動，并具有完善的過壓、過流及熱保護(hù)，為整個系統(tǒng)提供多重保護(hù)。
圖5為LM5155的典型應(yīng)用電路圖。
圖4. LM5155封裝示意圖 圖5. LM5155升壓應(yīng)用電路圖
德州儀器音頻功率放大器在拉桿音箱中的應(yīng)用
基于最新的半導(dǎo)體制造工藝以及豐富的音頻功率放大器設(shè)計經(jīng)驗，德州儀器推出一系列D類功放產(chǎn)品，性能出色，性價比高，產(chǎn)品選擇多，可滿足不同功率等級拉桿音箱的需求。
圖6. TAS5825P實現(xiàn)動態(tài)調(diào)壓音頻功放的系統(tǒng)框圖
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功率等級 |
50- 100W |
200- 600W |
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模擬輸入D類功放 |
TPA3128 |
TPA3126 |
TPA3220 |
TPA3221 |
TPA3251 |
TPA 3255 |
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數(shù)字輸入D類功放 |
TAS5825P |
TAS3251 |
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拉桿音箱應(yīng)用中，D類功放的電源電壓 (PVDD) 通常由升壓型DC/DC變換器提供。與固定 PVDD 相比，基于音頻信號大小而調(diào)整的可變 PVDD 可顯著提高系統(tǒng)效率，降低損耗，減少發(fā)熱，延長電池續(xù)航時間。
TAS5825P為德州儀器2019年新推出的數(shù)字輸入D類功放芯片。該芯片內(nèi)置強大的音頻 DSP 內(nèi)核，實現(xiàn)了一種稱為 Hybrid-Pro 的專有算法。Hybrid-Pro算法可檢測即將發(fā)生的音頻功率需求，并通過反饋引腳 (HPFB) 為DC/DC變換器提供 PWM 控制信號來調(diào)整輸出電壓（即D類功放的電源電壓 PVDD）。TAS5825P 支持高達(dá) 4ms 的延遲緩沖器 （Delay Buffer），以提前查看音頻信號并防止音頻削波失真。
圖6為使用LM5155 及TAS5825P實現(xiàn)的動態(tài)調(diào)壓的音頻功放解決方案TAS5825PEVM的系統(tǒng)框圖。如圖所示，音頻信號經(jīng)Hybrid-Pro 算法處理后反饋給升壓控制器LM5155的反饋（FB）端，從而實現(xiàn)音頻信號的包絡(luò)檢測及控制LM5155輸出電壓。TAS5825P內(nèi)置的延遲緩沖器 （Delay Buffer）可以將音樂信號延時輸入到功放部分，從而避免音頻輸出失真。從圖7的實驗波形可以看到，電源電壓PVDD會跟隨音頻輸入信號的包絡(luò)幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且確保音頻輸出無失真。
圖6. TAS5825P實現(xiàn)動態(tài)調(diào)壓音頻功放的系統(tǒng)框圖
圖7. TAS5825P 實現(xiàn)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)壓音頻功放的實驗波形
經(jīng)實驗測試，7500mAh的單節(jié)鋰電池給2×20W的功放供電，若使用不帶動態(tài)調(diào)壓的D類功放，電池使用時間為2小時；若功放為帶Hybrid-Pro算法的TAS5825P，則電池使用時間可延長到6小時，續(xù)航時間是原來的3倍。對于大功率拉桿音箱，音樂動態(tài)范圍變化更大，省電效果尤為顯著。
在德州儀器官方網(wǎng)站上，可以找到更多適用于拉桿音箱應(yīng)用的升壓電源以及音頻功放解決方案。
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