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[導(dǎo)讀]數(shù)字放大器功率級提供的功率如今提升到各通道 10 W 到 315 W 的程度。功率經(jīng)過提升后,使得更多種消費(fèi)性電子產(chǎn)品或其它電子產(chǎn)品能夠運(yùn)用數(shù)字放大器的優(yōu)點(diǎn) (高效率及數(shù)字信號完整性等),然而,此一功率級等比增加有其

數(shù)字放大器功率級提供的功率如今提升到各通道 10 W 到 315 W 的程度。功率經(jīng)過提升后,使得更多種消費(fèi)性電子產(chǎn)品或其它電子產(chǎn)品能夠運(yùn)用數(shù)字放大器的優(yōu)點(diǎn) (高效率及數(shù)字信號完整性等),然而,此一功率級等比增加有其設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。

  最新的 300 W 功率級能夠處理相當(dāng)大的電流量,例如,德州儀器所發(fā)表 TAS5261 的最大關(guān)機(jī)電流為 17 安培。高功率放大器的大部分設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與處理這方面的高電流量有關(guān),必須針對音頻路徑中的任何組件予以考慮。此外,H 橋所需的電壓為 50V,因此,針對這一設(shè)計(jì)選擇的組件必須能夠安全地在此電壓下運(yùn)作。
 

  高功率數(shù)字放大器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括:

  1) SMPS 問題,包括拓樸及高流量設(shè)計(jì)等問題;

  2) 必須正確指定 SMPS 及高流量信號路徑中的重要組件,以處理較高的功率和電流;

  3) 印刷電路板 (PCB) 設(shè)計(jì)問題,包括信號線寬度及電磁波干擾 (EMI)。

  SMPS 問題

  一般而言,可達(dá)到各通道 300 W 的立體聲或多通道產(chǎn)品需要能夠持續(xù)達(dá)到 600 W,才能符合美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會 (FTC) 現(xiàn)今制定的規(guī)定。根據(jù) FTC 的規(guī)定,左右聲道必須持續(xù)五分鐘發(fā)揮全功率,廠商才能聲稱此功率為額定功率。由于切開關(guān)式電源(SMPS) 是數(shù)字放大器目前最普遍使用的電源技術(shù),因此這需要 SMPS 能夠提供至少五分鐘的600 W功率級 。從散熱的角度而言,五分鐘是相對較長的時(shí)間,實(shí)際上,SMPS 必須能夠持續(xù)達(dá)到這一功率。對于此這一高功率,一般建議采用推挽式、半橋式或全橋式 SMPS。

  至于低功率 SMPS 設(shè)計(jì) (低于 200 W),最常采用反向拓?fù)?。本文不在此?xì)述何以推挽式或半橋式 SMPS 適用于高功率級等,以下僅提供概略說明。在反向 SMPS 中,僅使用一部分的變壓器磁性 B-H 曲線 (見圖 1),另外,反向 SMPS 的構(gòu)造較為簡易,成本也較為低廉。

  

 

  圖 1. SMPS 變壓器磁性的 B-H 遲滯曲線

  由于高功率 SMPS 的高電流會在 SMPS 變壓器中造成極高的磁通量,因此使用整個(gè) B-H 遲滯回路曲線可降低磁性核心的損耗。推挽式或半橋式拓樸可增加 SMPS 的功率,然而,設(shè)計(jì)的復(fù)雜度及成本也隨之增加。

  另外也需要更換 SMPS 中使用的組件,才能達(dá)到高功率及高電流。而 SMPS 變壓器也必須增大,才能處理高功率及高電流。對于 220 VAC 輸入,600 W SMPS 的峰值電流可達(dá)到 15 安培。對于 110 VAC 設(shè)計(jì) (90 VAC 至 136 VAC),則建議在濾波器后使用倍壓器或功率因素修正 (PFC),這是因?yàn)閷τ?90 VAC至 136 VAC 輸入的 600 W SMPS 而言,輸入電流會相當(dāng)大。其中需要密切監(jiān)視的組件包括主要輸入交流轉(zhuǎn)直流整流器電容,以及輔助 DC 漣波電壓消除電容。另外,輸入 EMI 線路濾波器也必需能夠支持增加的功率負(fù)載。

  由于設(shè)計(jì)這些電源供應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜,而且需要專業(yè)知識,因此一般建議使用現(xiàn)有的 SMPS 電源供應(yīng)。

  音頻信號路徑的組件

  針對較高的紋波電流進(jìn)行設(shè)計(jì)則有另外的考慮。例如,根據(jù)圖 2 顯示的電路,在 H-橋電壓 (PVDD) 為 50V、使用 10µH 電感且切換頻率為 384 kHz 的情況下,使用 TAS5261 的系統(tǒng)所出現(xiàn)的紋波電流可達(dá)到 1.6 安培。這表示,輸出 LC 濾波器及 PVDD 電容中的電感及電容必須能夠處理負(fù)載電流及此紋波電流。濾波器電感中出現(xiàn)高電流也表示電感必須有相當(dāng)?shù)偷?DC 電阻 (建議低于 25 毫歐姆),然而,即使電阻相當(dāng)?shù)?,濾波器電感也會出現(xiàn) I2R 耗損。電感必須能夠因應(yīng)最終造成的溫度上升,尤其核心材料更是如此。TAS5261 參考設(shè)計(jì)包含材料表及特定電感零件編號。

  

 

  圖 2. TAS5261 參考設(shè)計(jì)的 PVDD 電容及輸出 LC 濾波器等組件

  PCB 設(shè)計(jì)問題

  高電流放大器及 SMPS 的 PCB 信號線必須有最小的電阻,才能夠?qū)?I2R 耗損降至最低。一般而言,這表示應(yīng)該使用 2 盎司的銅,并且使信號線盡可能寬。圖 3 顯示 TAS5261 參考設(shè)計(jì) PCB 的信號線。為了將 EMI 及音頻性能的問題降至最低,應(yīng)該盡可能按照其中的配置,并且將這一配置完全不變地應(yīng)用于功率級的高電壓/高功率端。高功率信號線位于頂層的集成電路 (IC) 右側(cè) (如箭頭所示)。圖 3 另顯示 TAS5261 參考設(shè)計(jì)的 PCB 配置。

  

 

  圖 3. TAS5261 參考設(shè)計(jì) PCB 的高電流信號線范例

  數(shù)字放大器的全新高瓦數(shù)功率級有助于開發(fā)更加多樣化的產(chǎn)品及應(yīng)用,本文所述的概念可協(xié)助克服進(jìn)行高功率設(shè)計(jì)時(shí)遭遇的主要挑戰(zhàn)。

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