以高瓦數(shù)數(shù)字放大器進(jìn)行設(shè)定

數(shù)字放大器技術(shù)自從問世以來已有長(zhǎng)足的進(jìn)展，雖然數(shù)字放大器曾經(jīng)是新興的技術(shù)，不過現(xiàn)在已普遍應(yīng)用于日常生活中各個(gè)層面的產(chǎn)品，包括 DVD 接收器、平板電視及 MP3 基座。比較各通道的功率級(jí)耗電量，即可明顯看出這一先進(jìn)的技術(shù)所發(fā)揮的性能。相較于第一代的功率級(jí)，現(xiàn)今可用的功率至少增加十倍，數(shù)字放大器功率級(jí)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(hào)完整性等)，然而，此一功率級(jí)等比增加有其設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。

最新的 300 W 功率級(jí)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì) (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(jí) 。從散熱的角度而言，五分鐘是相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，實(shí)際上，SMPS 必須能夠持續(xù)達(dá)到這一功率。對(duì)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(jí)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(jiǎn)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(huì)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(duì)于 220 VAC 輸入，600 W SMPS 的峰值電流可達(dá)到 15 安培。對(duì)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?duì)于 90 VAC至 136 VAC 輸入的 600 W SMPS 而言，輸入電流會(huì)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(shí)，因此一般建議使用現(xiàn)有的 SMPS 電源供應(yīng)。

音頻信號(hào)路徑的組件

針對(duì)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(huì)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(hào)。

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(hào)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(hào)線盡可能寬。圖 3 顯示 TAS5261 參考設(shè)計(jì) PCB 的信號(hào)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(jí)的高電壓/高功率端。高功率信號(hào)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(hào)線范例

數(shù)字放大器的全新高瓦數(shù)功率級(jí)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)。

發(fā)布者：小宇