類比半導體的國產(chǎn)中大功率功放技術

摘要

上海類比半導體技術有限公司（以下簡稱“類比半導體”或“類比”）作為國內領先的模擬及數(shù)模混合芯片設計商，正通過其創(chuàng)新的中大功率模擬/數(shù)字功放技術，重塑消費電子市場中高端音頻產(chǎn)品的技術標準。隨著國產(chǎn)半導體產(chǎn)業(yè)的快速崛起，類比半導體基于其17年功放研發(fā)經(jīng)驗的團隊，另辟賽道，專注中大功率模擬/數(shù)字功放領域。其高端音頻產(chǎn)品設計不僅在功率輸出和效率上超越了同類競品，更以其卓越的散熱性能和集成的高階算法，滿足了市場對高品質音頻體驗的不斷追求。

類比半導體將持續(xù)提供與市面通用產(chǎn)品兼容、軟件設計簡便、調音友好的功放產(chǎn)品，確保在音箱、電視、投影儀等產(chǎn)品上實現(xiàn)卓越的音頻性能。

一、數(shù)字功放

AU68x5系列產(chǎn)品是類比推出的首個帶DSP的中功率數(shù)字功放，專門為高端電視、中功率音箱、高端投影儀的應用設計。

表1 數(shù)字功放

1.1 優(yōu)異的基本指標

相比國際大廠同類功放，類比數(shù)字功放Rdson要小幾十mΩ，有更大不失真功率和更高的效率（12V，1SPW，>90%）。對于音箱、soundbar產(chǎn)品，常見18V供電、4Ω負載下，1%失真可以達到2*30W的大功率輸出，輕松滿足常見的2*20W的功率輸出要求。對于電視投影儀產(chǎn)品，常見的12V、6Ω負載下，1%失真能夠輸出2*11W，滿足6Ω8W/10W的功率要求。

圖1 AU681x供電VS功率

得益于精心設計的低導通電阻（Rdson為110mΩ典型值），類比半導體的演示板在12V供電、4Ω負載條件下，采用BD模式并設置768kHz的調制頻率進行了一項細致的溫升對比測試。

測試結果顯示，在2*1W輸出功率時，AU6815芯片的溫度與市場上的競爭產(chǎn)品相當。然而，隨著功率的提升，AU6815的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。在2*10W輸出時，AU6815的芯片表面溫度顯著低于競品，分別低了22℃和37.9℃。當輸出功率增至2*20W時，競品芯片因溫度過高觸發(fā)了過溫保護（OTP），而AU6815依然穩(wěn)定運行。這表明，在相同功率條件下，AU6815的溫升控制更為出色，從而為客戶在設計時對PCB板層數(shù)、散熱片規(guī)格以及銅皮厚度的選擇提供了更大的靈活性和便利性。

類比半導體的功放產(chǎn)品采用了先進的閉環(huán)架構，這一設計相較于傳統(tǒng)開環(huán)架構顯著降低了底噪(35uVrms typ）和失真水平（≤ 0.03%@1k，1W）。得益于此，即便在靜音或小信號條件下，輸出的聲音依然純凈無瑕，信噪比更是高達110dB，確保了卓越的音質體驗。

在全音頻范圍內（20Hz至20kHz），BD模式下的總諧波失真加噪聲（THD+N）低于0.15%，這一性能達到了業(yè)界領先水平，充分展現(xiàn)了類比功放在音質保真方面的卓越表現(xiàn)。而1SPW模式在20~20kHZ測試下，THD+N也控制在0.3%以內，這一模式在保持高效率和低功耗的同時，依然維持了優(yōu)異的失真性能，滿足了市場對高端音頻產(chǎn)品設計的嚴格要求。

圖2 AU68x5的THD+N

1.2 支持高階算法

類比半導體的數(shù)字功放產(chǎn)品系列集成了先進的DPEQ動態(tài)低音增強算法，提供了精細的頻率響應調節(jié)能力。該算法能夠針對用戶設定的閾值和特定頻段進行動態(tài)調整，優(yōu)化小音量時的低音表現(xiàn)，同時在大音量播放條件下，通過智能控制防止聲音失真和破音現(xiàn)象。

具體而言，在低音量播放環(huán)境中，DPEQ算法通過設定的低頻增強參數(shù)，實現(xiàn)了對低頻信號的增益提升，增強了音頻的深度和力度。而在高音量狀態(tài)下，算法則自動調整EQ參數(shù)，確保輸出信號不會超出設備處理能力，從而避免了因音量過大而引起的失真問題。

通過這種動態(tài)調整機制，類比半導體的數(shù)字功放不僅在小音量下提供了強化的低音體驗，而且在大音量播放時也能維持音頻信號的完整性和清晰度，滿足了音頻工程師和音響愛好者對于高保真音質的嚴格要求。

圖3 DPEQ算法

1.3 創(chuàng)新響應：聆聽客戶需求，直擊客戶痛點

在傳統(tǒng)功放產(chǎn)品中，缺乏對電源電壓（PVDD）的監(jiān)測和溫度感應功能是常見問題。針對這一挑戰(zhàn)，類比半導體的功放產(chǎn)品內建了一系列創(chuàng)新功能，以滿足市場需求并提升用戶體驗。

●   增強的電源管理：集成的掉電檢測機制有效避免了額外的欠壓檢測電路，同時優(yōu)化了異常掉電情況下的瞬態(tài)噪聲（pop noise）問題。

●   動態(tài)電流控制：CBC功能通過喇叭端的電流限制，不僅保護了喇叭單元，還防止了前端電源的異常拉降，有效避免了過流保護（OCP）引發(fā)的斷音現(xiàn)象。

●   實時溫度監(jiān)控：功放芯片的溫度可實時讀取，并通過多級溫度報警系統(tǒng)，及時響應過熱情況，從而防止了因溫度過高引發(fā)的保護性斷音。

●   精準聲場同步：多芯片同步技術確保了聲場的精確還原，為用戶帶來了一致性和高保真的聽覺體驗。

通過這些創(chuàng)新應用，類比半導體的功放產(chǎn)品不僅解決了客戶的技術痛點，還提供了更為穩(wěn)定和高效的音頻解決方案。

圖4  CBC限流功能防止OCP斷音

圖5  同步功能準確還原聲場

二、模擬功放

為滿足低成本音箱市場的需求，類比半導體推出了具備3.5V至14.5V寬電壓適用范圍的模擬功放AU3138S（20/26dB）和AU3138T（32/36dB）。這些型號通過外部電阻配置，提供兩檔增益調節(jié)，全面覆蓋了20/26/32/36dB的增益需求，確保了從單節(jié)電池到多節(jié)電池供電，乃至12V產(chǎn)品的廣泛應用。

對于低成本電視和投影儀等產(chǎn)品，我們設計了8~14.5V輸入電壓范圍的模擬功放AU3138M（20/26dB）和AU3138P（32/36dB）。這些型號同樣支持外部調節(jié)增益，滿足多樣化的增益配置需求。特別地，7.4V的欠壓設計有效控制了掉電時的瞬態(tài)噪聲（pop noise），提升了音質表現(xiàn)。

針對對成本效益有極致追求的應用場景，類比半導體推出了16pin封裝的AU3107M和AU3108M功放，分別支持BD和1SPW調制模式。與傳統(tǒng)的28pin產(chǎn)品相比，在保持相同功率輸出的同時，提供了更高的性價比，為成本敏感型產(chǎn)品提供了理想的解決方案。

表2 模擬功放

2.1 優(yōu)異的基本指標

類比半導體的模擬功放產(chǎn)品全面支持BD和1SPW兩種工作模式。在BD模式下，功放展現(xiàn)出卓越的THD+N性能，指標低于0.05%，確保了音頻信號的純凈度和音質的細膩度。而即便在1SPW模式下，THD+N的性能指標也小于0.1%，同時靜態(tài)功耗降至16mA（12V），顯著提升了能效比。同時，結合典型值為140mΩ的極低導通電阻（Rdson），與1SPW模式的協(xié)同作用，實現(xiàn)了超過85%的高效率（在12V供電、4Ω負載條件下）。

圖6  AU3138極低失真率（<0.05%）

2.2 閉環(huán)架構，Plimit精準

我們的28pin產(chǎn)品系列均支持先進的Plimit功能，這一特性得益于閉環(huán)架構的精準設計。類比功放采用的功率限制值計算方法不受電源電壓（PVDD）波動的影響，確保了功率限制值（Plimit）的穩(wěn)定性和精確度。相較于傳統(tǒng)的開環(huán)架構，閉環(huán)架構下的功率限制更為精確，提供了更為可靠的性能保障。

●   P_OUT (10% THD) = 1.25 × P_OUT(未削波)

●   R_L是負載電阻。

●   R_S是總串聯(lián)電阻，包括 R_DS(on)和輸出濾波器電阻。

●   V_P是峰值幅度，受“虛擬”電壓軌限制。

2.3 卓越的EMC性能與內置高階展頻技術

電磁兼容性（EMC）是消費電子產(chǎn)品設計中的一個關鍵挑戰(zhàn)，而類比半導體憑借深厚的EMC調試經(jīng)驗，已在這一領域取得顯著成就。我們不僅通過精心設計的外部電路來優(yōu)化EMC性能，還在產(chǎn)品內部集成了高階展頻技術。從設計階段開始，我們就專注于解決EMC問題，確保產(chǎn)品能夠在各種電磁環(huán)境下穩(wěn)定運行。

得益于這種綜合方法，即使在采用磁珠方案的情況下，我們的功放產(chǎn)品也能輕松通過EN55013和EN55022等嚴格的EMC標準測試，展現(xiàn)出類比半導體在電磁兼容性方面的卓越性能和可靠性。

三、總結

類比半導體的功放產(chǎn)品系列在設計上實現(xiàn)了與市面通用產(chǎn)品的BOM兼容性，確保了軟件設計的簡便性和調音軟件的用戶友好性。在性能上，我們的產(chǎn)品不僅在基本指標上超越了傳統(tǒng)競爭對手，更通過深入洞察客戶需求，引入了創(chuàng)新功能，有效解決了客戶的痛點。

我們的數(shù)字功放產(chǎn)品，憑借其豐富的算法支持、低底噪和低失真特性，完美滿足了市場對高品質音頻產(chǎn)品設計的需求。與此同時，模擬功放產(chǎn)品則以其卓越的成本效益，滿足了客戶對成本敏感型應用的需求，尤其適合音箱、電視、投影儀等消費電子產(chǎn)品。