擺幅電容支持音頻放大器多路復(fù)用，延長(zhǎng)電池壽命

D類升壓放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電壓高于供電電壓，由于可以用單節(jié)鋰離子(Li+)電池供電就能實(shí)現(xiàn)較高性能的音頻，這類放大器應(yīng)用廣泛。然而，大多數(shù)D類升壓放大器并不為用戶提供內(nèi)部升壓后的電壓，這就使復(fù)用揚(yáng)聲器難以利用常見(jiàn)的模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多路音頻源。本文中，我們討論如何利用擺幅電容電荷泵使模擬開(kāi)關(guān)能連接這些信號(hào)，而無(wú)需附加外部電路。

擺幅電容電荷泵

我們首先從擺幅升壓電容的基礎(chǔ)電路開(kāi)始討論，該技術(shù)早已被用于產(chǎn)生高于電源的電壓，以及提供負(fù)電源。只要每次加一點(diǎn)點(diǎn)的力量，即使小朋友也能讓秋千蕩得很高。擺幅升壓電容(這里指電荷泵)電源的原理與此類似。

圖1. 小朋友在院子里玩秋千時(shí)，添加的能量，使他們的小伙伴蕩的越來(lái)越高。

現(xiàn)在，請(qǐng)觀察圖2，我們假設(shè)VCC為5V。明白這點(diǎn)之后，我們就能明白簡(jiǎn)單的兩級(jí)擺幅電容電荷泵的工作原理。首先，通過(guò)圖中所示頂部的兩個(gè)開(kāi)關(guān)將C1充電至VCC。然后，將頂部的兩個(gè)開(kāi)關(guān)置于與圖2所示相反的位置?，F(xiàn)在，C1的負(fù)端連接至VCC，正端連接至C3+和V+。第一級(jí)C1中儲(chǔ)存的電壓(+5V)疊加至VCC (+5V)，在V+上產(chǎn)生+10V電壓。

另外一個(gè)擺幅電容C2用于產(chǎn)生負(fù)電源V-。將C2兩側(cè)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)置于與圖2所示相反的位置。C2的正端連接至V+，負(fù)端連接至地。然后切換C2各端的開(kāi)關(guān)，因此將C2的正端接地，將負(fù)端連接至C4和V-，以形成負(fù)電源。

圖2. 利用擺幅電容電荷泵轉(zhuǎn)換電壓。

擺幅電容電荷泵極成功地被用于計(jì)算機(jī)的串行通信系統(tǒng)。RS-232(現(xiàn)稱之為EIA/TIA-232)標(biāo)準(zhǔn)頒布于1962年，現(xiàn)在仍通用，并且已經(jīng)被許多工業(yè)應(yīng)用所采用2。RS-232標(biāo)準(zhǔn)要求信號(hào)擺幅至少為±5V，早期集成電路RS-232收發(fā)器的工作電源為±12V至±15V。上世紀(jì)80年代中期，Maxim Integrated Products推出了使用擺幅電容電荷泵的IC，與圖2所示類似。器件允許利用單端+5V電源實(shí)現(xiàn)全部功能RS-232通信。早期的MAX232仍然在產(chǎn)，并且自始至終是銷售最好的器件之一。

由于那些早期工業(yè)通用電源現(xiàn)在已經(jīng)降至3V或更低，電池供電的便攜式設(shè)備大量涌現(xiàn)，其工作電壓低至1.8V。隨著情況的變化，升壓電源的需求幾乎已經(jīng)消失。同時(shí)，由于多個(gè)串聯(lián)電荷泵在高功率應(yīng)用中的效率較低，所以開(kāi)發(fā)出不同的技術(shù)來(lái)支持這些應(yīng)用。在這些領(lǐng)域中，電感電源使得高效率升壓調(diào)節(jié)器成為可能。雖然基于電感的調(diào)節(jié)器已經(jīng)大量取代要求大功率應(yīng)用中的擺幅電容電荷泵，但擺幅電容電荷泵仍被許多領(lǐng)域應(yīng)用。

音頻升壓電源，節(jié)省功耗、使用時(shí)間更長(zhǎng)

D類升壓音頻放大器能利用低壓源，例如單節(jié)鋰離子(Li+)電池，提供高質(zhì)量的音頻信號(hào)，所以在手持式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。例如，當(dāng)手機(jī)被用作便攜式媒體播放器或免提電話時(shí)，AB類放大器不能提供所需的清晰度和音量。所以，D類升壓放大器就取而代之。然而，當(dāng)手機(jī)僅僅用作電話聽(tīng)筒時(shí)，AB類放大器則提供很好的性能，同時(shí)節(jié)省功耗。因此，設(shè)計(jì)者需要一種途徑能夠在電話聽(tīng)筒類應(yīng)用中節(jié)省功耗，同時(shí)也支持免提電話或媒體播放器應(yīng)用中的大音量。這種復(fù)雜的挑戰(zhàn)使得多路音頻源復(fù)用單個(gè)揚(yáng)聲器就非常具有吸引力。

D類升壓放大器無(wú)需PCB上的大空間，即可提供大音量。然而，在將升壓放大器復(fù)用至揚(yáng)聲器時(shí)，問(wèn)題出現(xiàn)了。根據(jù)設(shè)計(jì)，D類升壓放大器輸出的音頻信號(hào)高于電源電壓，但通常模擬開(kāi)關(guān)的信號(hào)需限制其在電源軌之內(nèi)。所以，許多現(xiàn)代化的模擬開(kāi)關(guān)增加了能夠傳輸負(fù)電源以下信號(hào)的能力。雖然如此，這仍然給D類放大器的升壓信號(hào)帶來(lái)了問(wèn)題，因?yàn)椴荒軅鬏敻哂谡娫吹男盘?hào)。為D類放大器供電的內(nèi)部升壓電源通常不用于為外部設(shè)備供電;此外，即使能夠?yàn)橥獠吭O(shè)備供電，也只有放大器打開(kāi)時(shí)才有。所以使用這樣的電源不太現(xiàn)實(shí)，因?yàn)楫?dāng)其它放大器正在工作時(shí)它可能沒(méi)有。因此，如果沒(méi)有附加電路，揚(yáng)聲器復(fù)用的應(yīng)用中就難以使用普通模擬開(kāi)關(guān)。解決這一問(wèn)題的途徑有多種，我們將逐一總結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)。

提高供電電壓?

在有些情況下，直接利用D類升壓放大器輸出的升壓電壓好像很有優(yōu)勢(shì)。但是，如上所述，當(dāng)D類升壓放大器關(guān)閉時(shí)，給模擬開(kāi)關(guān)的升壓電壓就沒(méi)有了。因此，設(shè)計(jì)者必須尋求另一種途徑為模擬開(kāi)關(guān)供電。這就意味著系統(tǒng)必須多設(shè)計(jì)一個(gè) “或”電路，利用不同的源為開(kāi)關(guān)供電， 它取決于那個(gè)放大器正在工作。貌似非常合理，但“或”電路實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能將消耗附加空間和功耗。在空間和功耗是主要設(shè)計(jì)約束條件的系統(tǒng)中，這種處理是不可取的。

另一種解決方案，雖然不常見(jiàn)，是使用外部升壓電源(電感或電荷泵的方法外都行)為電路供電。增加升壓電源意味著增加一堆的外部元件(例如IC/二極管/電容/FET/電感)。不可否認(rèn)，這解決了問(wèn)題，但是缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)。首先，在追求體積小的大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用中這種增加的元件的解決方法是不可接受的，不會(huì)采納的。另外，即使高效率的升壓轉(zhuǎn)換器所帶來(lái)的功率損耗，也是用電池供電系統(tǒng)不可承受的。

將音頻電平轉(zhuǎn)換至可接受的范圍?

音頻應(yīng)用中使用的許多模擬開(kāi)關(guān)支持負(fù)電壓。所以，常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方案是轉(zhuǎn)換信號(hào)的直流偏置電壓，直到信號(hào)下降至開(kāi)關(guān)可接收的電壓范圍。最常見(jiàn)的方法就是用隔直法。該方法是工程師在模擬開(kāi)關(guān)的輸入端放置隔直電容。這種方法至少存在三個(gè)問(wèn)題。

首先，電容使本已空間緊張的應(yīng)用增加了元件。此外，增加的電容值需要足夠大，以保證構(gòu)成的高通濾波器的截止頻率盡量的低。此時(shí)，負(fù)載是揚(yáng)聲器，而不是相當(dāng)高阻抗的放大器輸入。這進(jìn)一步增大了維持音質(zhì)所需的電容尺寸。

第二個(gè)問(wèn)題實(shí)際上加劇了第一個(gè)問(wèn)題。由于電壓系數(shù)的原因，增加的隔直電容會(huì)帶來(lái)低頻的相位失真。電壓系數(shù)表示電容值隨電容電壓變化的程度。由于電容的阻抗在低頻時(shí)較高，會(huì)在電容的兩端形成一個(gè)電壓，從而使電容降低至額定值以下。隨著頻率增大，電容也增大。電容變化也造成比濾波器的-3dB點(diǎn)高達(dá)10倍的頻率下的失真。因此，為保證失真在音頻范圍之外，電容應(yīng)足夠大，使截止頻率低至2Hz。此外，所選電容的電壓系數(shù)應(yīng)較低，該項(xiàng)要求通常將小型封裝電容排除在外，例如陶瓷電容。所以，最常用的是鉭電容或電解電容，以降低電壓系數(shù)。

最后，諸如等效串聯(lián)電阻(ESR)的非線性等因素也會(huì)引入失真。ESR非線性與頻率有關(guān)，有些情況下由于阻抗增大而限制了提供給揚(yáng)聲器的功率。

總而言之，此處討論的隔直方法解決了問(wèn)題，但要求在成本、音質(zhì)及空間方面做出妥協(xié)。

使用隱形(集成)方案

典型D類升壓放大器采用低至2.5V的電池電壓，產(chǎn)生5.5V的輸出電壓。這很好，但現(xiàn)在的問(wèn)題是不使用占用空間的分立式元件，如何能在音頻放大器之間切換?圖3所示為解決這一問(wèn)題的“隱形”方案，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是集成方案。該方案是一種超小尺寸的雙刀雙擲(DPDT)模擬開(kāi)關(guān)，允許升壓信號(hào)通過(guò)，無(wú)需附加外部電路。我們稱之為隱形方案是因?yàn)樵揇PDT開(kāi)關(guān)所需的一切都集成在1.2mm x 1.2mm、9焊球晶原級(jí)封裝(WLP)內(nèi)，非常類似于利用電荷泵來(lái)避免使用高壓外部電源的MAX232。集成了所有必需的電荷泵。由于電荷泵只需要驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)內(nèi)部的門電路，所以甚至不需要外部電容。該集成技術(shù)允許高達(dá)±5.5V的信號(hào)通過(guò)，失真超小，而器件電源電壓可低至+1.6V。實(shí)際上，這種復(fù)雜的技術(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)者或用戶是不可見(jiàn)的。

圖3. 典型音頻配置的“隱形”集成方案。

由于該方案能傳輸信號(hào)電平超出電源上下軌電壓，無(wú)需隔直電容或外部升壓電源。實(shí)際上，利用MAX14689 DPDT模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用揚(yáng)聲器，無(wú)需附加外部電路，即可為音頻系統(tǒng)供電。該方法將節(jié)省可觀的空間。此外，無(wú)需隔直電容,信號(hào)直接通過(guò),避免了隔直電容所占的空間和導(dǎo)致失真。

最后，開(kāi)關(guān)為“先開(kāi)后合”式，確保幾個(gè)音頻放大器不會(huì)短路在一起。與其它常見(jiàn)方法相比，開(kāi)關(guān)式保證系統(tǒng)的音質(zhì)，同時(shí)減少空間需求。利用低至2.5V的電源供電時(shí)，開(kāi)關(guān)的低(0.25Ω，典型值)導(dǎo)通電阻(RON)允許將功率高效率傳輸至揚(yáng)聲器，并具有低THD+N。

結(jié)論

D類升壓放大器大大提高了音質(zhì)，所以在電池供電音頻系統(tǒng)中尤其具有優(yōu)勢(shì)。但是，這些放大器的功耗較高，所以始終打開(kāi)的情況下在這類系統(tǒng)并不具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，幾個(gè)不同音頻系統(tǒng)復(fù)用單個(gè)揚(yáng)聲器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。所以，典型模擬開(kāi)關(guān)不能傳輸高于或低于其電源擺幅范圍的問(wèn)題亟待解決。傳統(tǒng)方法具有許多不利影響，而本文介紹的方案簡(jiǎn)單、節(jié)省空間、保證音質(zhì)。