Cirrus Logic: 升壓放大器讓設(shè)備兼具小身材和大音量

消費(fèi)者現(xiàn)在都用非常小巧的設(shè)備來聽音樂，但是鋰電池和低壓電源通常不能實(shí)現(xiàn)大音量的音頻效果。升壓放大器因其可以增加響度，同時能實(shí)現(xiàn)極小尺寸的封裝和超低的功耗日漸流行。

音樂和娛樂在我們的生活中無處不在。傳統(tǒng)的外置音響設(shè)備已經(jīng)在過去的100多年給消費(fèi)者帶來了極佳的體驗(yàn)，從早期的電影娛樂到露天搖滾音樂會，再到家庭影院，這些都是消費(fèi)者從大型娛樂設(shè)備得到的優(yōu)良體驗(yàn).

但是對于當(dāng)今的移動消費(fèi)者而言，他們需要小尺寸設(shè)備也能提供響亮的音頻效果。在虛擬現(xiàn)實(shí)耳機(jī)上玩視頻游戲現(xiàn)已司空見慣，消費(fèi)者使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)太陽鏡、可穿戴式頸帶或藍(lán)牙揚(yáng)聲器收聽音樂，這些設(shè)備小巧便捷可以放進(jìn)口袋之中。以前的“靜音”設(shè)備或充其量能提供平平音頻效果的設(shè)備現(xiàn)被集成到智能家居中被重新構(gòu)想。諸如恒溫器、家庭保安攝像頭和電視遙控器之類的簡單設(shè)備現(xiàn)都配備了麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器，聽從語音指示并響應(yīng)用戶。通過集成揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，即使是智能手表這樣最小體積的連接設(shè)備也可以提供差異化，用戶無需智能手機(jī)即可進(jìn)行語音通話。

隨著設(shè)備尺寸變得越來越小，電源也隨之變小。鋰電池因其使用壽命長和充電時間短而備受歡迎。例如通過USB連接的5伏電源也是一種流行的標(biāo)準(zhǔn)。但是這些電源能提供響亮的音頻效率嗎?在大多數(shù)情況下，答案是否定的。例如，使用標(biāo)準(zhǔn)的3.7 V鋰離子作為電源，驅(qū)動典型8Ω揚(yáng)聲器的高效放大器則提供不到1瓦的電能。當(dāng)電池電量不足或電池老化時，電池電壓會降低，而電池阻抗則會增加2-3倍。如圖1所示，這將導(dǎo)致傳遞到揚(yáng)聲器的輸出功率更少。為什么不只使用低阻抗揚(yáng)聲器呢?因?yàn)檫@將不僅增加輸出功率，還會在放大器和揚(yáng)聲器之間的走線或電纜上造成更高的負(fù)載電流和更大的功率損耗。(參見圖2)。

圖1

圖2

升壓音頻放大器的重要性與日俱增

用戶希望音樂效果響亮，同時也希望電池壽命長且設(shè)備小巧可以隨身攜帶。設(shè)計人員如何才能在不浪費(fèi)電源或空間、并不浪費(fèi)資金的情況下將優(yōu)質(zhì)音頻表現(xiàn)整合到他們的系統(tǒng)中?其實(shí)有一個簡單的答案，那就是升壓放大器。這些小巧的設(shè)備將DC-DC升壓調(diào)節(jié)器和高效的D類音頻放大器集成在一個小封裝中，并具有四大主要優(yōu)點(diǎn)：

1. 音量更為響亮 – 與非升壓系統(tǒng)相比，升壓功放系統(tǒng)能提供更高的輸出電平。

2. 效率 – 通過將升壓和輸出級緊密耦合在一個集成控制回路中，與帶獨(dú)立DC-DC升壓和放大器的兩芯片解決方案相比，升壓放大器具有更高的效率(η = η_boost*η_amplifier)。

3. 尺寸和成本 – 與帶獨(dú)立放大器和升壓轉(zhuǎn)換器的兩芯片系統(tǒng)相比，這一解決方案的尺寸更小，而且通常價格較低。典型的智能手表PCB尺寸可能約為3 in2，其中大部分都由處理器和無線通信模塊這樣的關(guān)鍵組件占據(jù)。在此類應(yīng)用中，最大化響度不能以犧牲尺寸為代價，而是需要高度集成的解決方案。

4. 簡單性 – 集成兩個功能組塊可簡化系統(tǒng)集成，包括減少引腳數(shù)，減少PCB走線和減少元器件。

并非所有的升壓放大器都一樣。架構(gòu)已發(fā)展演變?yōu)樵黾与妷?、輸出功率和效率。G類配置提供兩個或三個不同的升壓輸出電壓電平。升壓轉(zhuǎn)換器會根據(jù)音頻內(nèi)容自動選擇所需的最小輸出電壓電平，以將轉(zhuǎn)換損耗降至最低。H類功放擁有更多級數(shù)的升壓電平，能夠細(xì)致地追隨包絡(luò)輸入音頻信號, 實(shí)現(xiàn)更高的效率(有關(guān)G類和H類升壓放大器的比較，請參見圖3)。即使在H類中，也并非所有升壓設(shè)計都是一樣的。重要的是要考慮升壓電壓跟蹤音頻包絡(luò)的速度和接近程度。例如，Cirrus Logic的CS35L41音頻放大器具有非?？焖俑櫟?1V H類升壓轉(zhuǎn)換器。它也是首批采用55nm工藝的升壓放大器之一，與130nm或180nm等較大的模擬放大器工藝相比，它可以將很多工藝封裝在一個較小的區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更緊密、更快的升壓轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路。

圖 3

總而言之，與兩芯片解決方案相比，升壓放大器可以在低壓電源設(shè)備中為音頻提供最大的響度“提升”，電池壽命更長、尺寸更小、成本更低。 借助當(dāng)今的升壓放大器，制造商可以在小空間內(nèi)為消費(fèi)者提供出色的音頻效果，同時最大限度地延長電池壽命。