平板電視的音頻設(shè)計(jì):平板屏幕搭配效果出色的音響

設(shè)計(jì)平板電視音頻放大器需同時(shí)解決幾大技術(shù)難題。工程設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常要進(jìn)行多種因素的綜合折中，平板電視的設(shè)計(jì)就是其中一個(gè)非常好的例子。我們?cè)趺床拍茉诔〉腄LP、等離子或液晶顯示器底板上設(shè)計(jì)20W立體聲音頻功率放大器，同時(shí)又不影響散熱性能呢？我們?cè)趺床拍苤С挚臻g有限的雙層電路板同時(shí)又滿足電磁干擾 (EMI) 測(cè)試要求呢？怎么才能為不同尺寸、不同功耗的屏幕設(shè)計(jì)出低成本的印制電路板 (PCB) 同時(shí)又滿足緊迫的設(shè)計(jì)期限呢？

幸運(yùn)的是，工程師不必親自來解決上述技術(shù)難題。因?yàn)樵S多問題都已得到解決，或者已經(jīng)找到變通的辦法。目前推出的新型器件可通過功能集成解決上述問題。解決上述技術(shù)問題并加速設(shè)計(jì)進(jìn)程的方法之一就是采用德州儀器 (TI) 最新的 D 類音頻放大器產(chǎn)品系列 TPA3100D2 與 TPA3101D2。

TPA3100D2 與 TPA3101D2 是專為平板電視市場(chǎng)設(shè)計(jì)的立體聲D類放大器。這兩款放大器均具備引腳對(duì)引腳兼容性，分別提供了 20W 和10W的立體聲輸出功率。新集成的特性包括更好的咔嗒/噼噗聲抑制、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍控制以及降低 EMI 的增強(qiáng)型功能等。上述產(chǎn)品解決了前代 D 類器件所面臨的問題，從而加速了產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程。

輸出功率

音頻放大器設(shè)計(jì)中首先要考慮的問題就是確定所需的輸出功率，這與屏幕大小直接相關(guān)，我們將在下面進(jìn)行詳細(xì)說明。其他應(yīng)考慮的因素包括揚(yáng)聲器阻抗、總諧波失真 (THD)、放大器電壓和放大器效率等。所有這些因素都彼此關(guān)聯(lián)。舉例來說，揚(yáng)聲器阻抗越高，放大器的效率和散熱性能就越好，但卻要求更高的放大器電壓，否則輸出功率較低時(shí)就會(huì)出問題。了解了上述因素之間的折中平衡，我們就應(yīng)在各種因素間實(shí)現(xiàn)最佳平衡，這是良好設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

TPA3100D2 的效率非常高，輸出功率為 20Wx2（最大）時(shí)效率高達(dá) 92%。此時(shí)，功耗為 1.74W。我們將封裝底部的散熱焊盤直接焊接到 PCB 上即可實(shí)現(xiàn)輕松散熱。PCB 中的接地層作為散熱片，無需外部散熱片。上述特性使 TPA3100D2 適用于超過 32 英寸的等離子和液晶電視，這些電視要求更大的音頻輸出功率，因?yàn)橛脩魰?huì)坐在離揚(yáng)聲器較遠(yuǎn)的地方欣賞節(jié)目。

TPA3101D2 是一款低成本的 10Wx2 解決方案，適用于屏幕較小（23 英寸至 32寸）的液晶電視。TPA3101D2 與 TPA3100D2 實(shí)現(xiàn)了引腳對(duì)引腳兼容，并具備相同特性。功率為 10Wx2 時(shí)，效率高達(dá) 87%。

由于 TPA3100D2 與 TPA3101D2 的外引腳、封裝尺寸以及外部組件完全一樣，因此不同的解決方案可采用相同的電路板設(shè)計(jì)，從而節(jié)省設(shè)計(jì)與制造時(shí)間，并降低庫存成本。

散熱性能與最大輸出功率

設(shè)計(jì)電視音頻解決方案時(shí)要考慮的另一重要問題就是散熱性能。散熱對(duì)平板電視來說至關(guān)重要。熱量過高會(huì)使液晶屏幕的顏色失真，不過，要是在散熱方面過度設(shè)計(jì)，又會(huì)增加材料清單 (BOM) 成本。此外，當(dāng)D類放大器變熱時(shí)，會(huì)降低效率，同時(shí)音頻輸出功率也會(huì)降低。因此，我們必須在設(shè)計(jì)早期階段就應(yīng)考慮到散熱問題。

不同的散熱條件與要求會(huì)影響 TPA3100D2 和 TPA3101D2 的最大輸出功率。我們下面將說明相關(guān)因素，并給出確定器件最大輸出功率的系統(tǒng)方法。請(qǐng)注意，這里給出的信息僅從理論角度說明問題，我們?nèi)孕枰私鈱?shí)際散熱情況。

1. 根據(jù)產(chǎn)品說明書中的圖 13 或 14（即本文的圖 1）獲得器件工作在 VCC 和 R L 情況下的效率。效率決定于多少電源功率能轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的音頻功率。效率越高就意味著能量消耗越小，輸出功率也就越大。VCC 越高而 RL 越低，就會(huì)造成效率降

圖1 TPA3100D2的效果與輸出功率關(guān)系曲線圖

2. 根據(jù)產(chǎn)品說明書中的典型耗散率獲得降額因數(shù)——降額因數(shù)的倒數(shù) RJA 更多用于散熱分析。RJA 是指器件消耗每瓦特時(shí)上升的溫度（單位℃）。RJA 取決于許多因素，產(chǎn)品說明書中的降額因數(shù)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的特性板(characterization board)模擬(JEDEC，4層)。適當(dāng)?shù)?PCB 布局和散熱片焊接對(duì)實(shí)現(xiàn)較低的 RJA 至關(guān)重要。

3. 測(cè)量環(huán)境溫度——環(huán)境溫度指系統(tǒng)正常工作（即電視加電情況下）過程中，器件周圍的空氣溫度，以 TA 表示。

4. 獲得可允許的最大結(jié)點(diǎn)溫度 (TJmax) 或最大外殼溫度 (TCmax)——通過該項(xiàng)以及 RJA 可計(jì)算出可允許的最大功耗PD。

5. 就給定的環(huán)境溫度 TA，我們可用下列公式計(jì)算出器件最大輸出功率：
   
如果內(nèi)部規(guī)范要求外殼溫度保持在給定溫度之下，那么我們假定 TCmax 略低于TJmax。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，我們不妨假定 TJmax 比  TCmax 高 10 ℃。我們還可重新計(jì)算，以確保外殼溫度在規(guī)范限度之內(nèi)。

當(dāng) VCC=18V；RL=8? TA=55℃；TJmax=150 ℃ 時(shí)，用以上方法，我們得出TPA3100D2 的最大輸出功率為每通道 20W。

如果我們提高環(huán)境溫度到 65 ℃，那么最大輸出功率就會(huì)降至每通道 18W。

EMI 性能與 LC 濾波器

EMI 是指電磁輻射，是電子電路傳輸快速變化的信號(hào)（如 D 類音頻功率放大器輸出信號(hào)）時(shí)所發(fā)出的。EMI 應(yīng)在 CISPR 22 或 FCC Part 15 Class B 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限度內(nèi)。TI 的 D 類放大器采用其享有專利的集成電路來控制 EMI。

有些 D 類放大器采用擴(kuò)頻技術(shù)，據(jù)說可以降低 EMI。這種技術(shù)隨機(jī)改變 D 類放大器的基本開關(guān)頻率，并通過頻帶擴(kuò)散 EMI。TI 的放大器不采用這種技術(shù)，因?yàn)檫@會(huì)提高 6 dB 的噪聲，也不能顯著降低 EMI 峰值。我們可以通過優(yōu)化板面布局和最小化電流環(huán)路來更好地滿足 EMI 要求，從而使信噪比 (SNR)提高6dB,為聽眾提供更好的聽覺體驗(yàn)。

TI 的 D 類放大器采用稱作“BD”調(diào)制的調(diào)制方案（如果 D 類放大器輸出端與揚(yáng)聲器之間的距離足夠短，那么采用 BD 調(diào)制技術(shù)的 D 類放大器的 EMI 將達(dá)到最小化，且無需輸出濾波器。（電感揚(yáng)聲器是普通的低通濾波器，抑制揚(yáng)聲器的高次諧波音頻信號(hào)。）盡管 TPA3100D2 與 TPA3101D2 采用這種無需濾波器的 BD 調(diào)制方案，但輸出仍是快速變換的波形，其中包括高頻譜，如圖 2 所示。

圖2 輸出信號(hào)的頻譜

由于電磁輻射效率隨導(dǎo)體的長(zhǎng)度加長(zhǎng)而增加，因此如果使用較長(zhǎng)揚(yáng)聲器線圈的話，就需要濾波器，而且它還應(yīng)盡可能靠近放大器。幾乎所有情況下我們都建議使用濾波器，即便就擴(kuò)頻D 類放大器來說也一樣。

圖 3 所示的 LC 濾波器最為常用，該濾波器垂直跌落，理論上是無損的。建議采用二階巴特沃思 (Butterworth) 低通濾波器，因?yàn)樵摓V波器的通帶較平，而且能實(shí)現(xiàn)理想的相位響應(yīng)。就單端輸出而言，我們可用式 (5) 和 (6) 來設(shè)計(jì)巴特沃思濾波器。

圖3 單端低通濾波器
       
這里假定w0 是角速度截止頻率。
將單端濾波器組件值轉(zhuǎn)化為橋接式負(fù)載濾波器的組件值，進(jìn)行如下轉(zhuǎn)化以形成如圖 4 所示的濾波器：

添加去耦電容器Cg 可進(jìn)一步降低 EMI。經(jīng)計(jì)算，Cg 等于 CBTL 值的1/10。

采用如圖 4 所示的 LC 濾波器，TPA3100D2 與 TPA3101D2 EMI參考設(shè)計(jì)在采用 21 英寸揚(yáng)聲器線圈情況下通過了 FCC Part 15 Class B 輻射認(rèn)證要求。我們就四種定位進(jìn)行準(zhǔn)峰值測(cè)量，TPA3100D2 與 TPA3101D2 EMI 評(píng)估板 (EVM) 都以超出要求 5.6 dB 的水平通過了認(rèn)證。圖 5 給出了水平后置情況下的峰值測(cè)量示意圖。

圖4 橋接式負(fù)載LC低通濾波器的實(shí)現(xiàn)

圖5 輻射預(yù)掃描30-1000MHZ

板面布局

進(jìn)行 D 類放大器設(shè)計(jì)工作時(shí)，PCB 布局對(duì)散熱、可靠性、噪聲和失真等性能來說至關(guān)重要。TI 網(wǎng)站（www.ti.com/audiodesigndoc）提供了有關(guān) TPA3100D2 與TPA3101D2 的 EVM(其中包括 Gerber 文件和 BOM)，工程師可用其作為設(shè)計(jì)樣例。圖 6 顯示了頂部和底部的集成電路布局的模板。接地層應(yīng)足夠大，以滿足散熱需要。上述 EVM 采用約 3.25 英寸 x 3.5 英寸大小的雙面FR-4基板制作而成，F(xiàn)R-4 基板上采用了1 盎司銅，功率可達(dá) 20Wx2。我們應(yīng)注意遵循產(chǎn)品說明書末尾的關(guān)于占位面積的建議，特別要遵循密度和尺寸方面的建議，以確保最佳散熱效果。

圖6 TPA3100D2 EVM布局

除實(shí)現(xiàn)散熱功能外，我們還建議在散熱焊盤上將模擬信號(hào)接地點(diǎn)與電源接地連在一起，這樣形成了星形連接的接地系統(tǒng)，從而確保最低噪聲和最佳音頻性能。

我們應(yīng)將輸出濾波器上的 Cg 電容器與電源接地相連，否則就會(huì)讓噪聲進(jìn)入模擬接地層。

要是有噪聲進(jìn)入斜坡波形或內(nèi)部偏置電壓，就會(huì)直接耦合到輸出，這正說明了為什么擴(kuò)頻操作會(huì)增加噪聲的問題，特別是斜坡信號(hào)噪聲較大。尤其重要的是，我們應(yīng)當(dāng)注意 R6 (ROSC)丄C5 (VREG) 和 C10 (VBYP)，因?yàn)檫@些模擬組件都非常敏感。在 EVM 中，R6、C5  和 C10連接在一起，并通過終端 17 （即模擬接地點(diǎn)）返回到星形接地系統(tǒng)。

此外，電源去耦對(duì) D 類放大器至關(guān)重要。請(qǐng)注意我們使用的兩種去耦方法：一種是采用大型電解電容器 C21 與 C22，用于為低頻音頻信號(hào)提供電流；另一種是 C18 與C19，用作高頻陶瓷電容器，避免 IC 電源引腳處電壓下降。這兩個(gè)電容器應(yīng)盡可能靠近電源終端，這非常重要。

自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍控制

幾乎所有模擬輸入 D 類放大器被驅(qū)動(dòng)到削波狀態(tài)時(shí)都會(huì)出問題。一旦出現(xiàn)削波失真，反饋架構(gòu)離開削波狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生特點(diǎn)明顯的下降，圖 7 顯示了這種“最近競(jìng)爭(zhēng)者”示意圖，這會(huì)造成不良音頻噪聲。在 TPA310x 之前，該問題唯一的解決方法就是鉗住輸入信號(hào)以避免削波失真。

圖8  顯示了 D 類音頻放大器的基本通道結(jié)構(gòu)圖。OTA 信號(hào)變成積分放大器的輸入，該放大器的反饋即為輸出脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)。積分輸入與反饋信號(hào)用三角波形斜坡和高速比較器轉(zhuǎn)化為 PWM，該 PWM 信號(hào)進(jìn)行電平移動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)橋接式負(fù)載 (BTL) 輸出 H 橋。

圖8 TPA3100D2 結(jié)構(gòu)圖

在削波狀態(tài)時(shí)，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),輸出信號(hào)電平處于VCC 和 GND 。如輸入強(qiáng)制輸出進(jìn)一步進(jìn)入削波狀態(tài)，那么積分放大器的輸出可移向正負(fù)軌，超過斜坡波峰和波谷。削波狀態(tài)消失后，積分放大器電容放電和輸出信號(hào)變回開關(guān)狀態(tài)都需要一定時(shí)間。當(dāng)放大器離開削波狀態(tài)并增加 THD 時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致音頻波形中出現(xiàn)陷波。

我們?cè)赥PA3100D2與 TPA3101D2 中添加了自適應(yīng)動(dòng)態(tài)控制 (ADRC) 電路，該電路正在申請(qǐng)專利，能提高較高功率情況下的音質(zhì)。該電路旨在降低 D 類放大器中觀察到的過度失真，并驅(qū)動(dòng)最大輸出。
ADRC 電路工作時(shí)會(huì)監(jiān)控積分放大器的輸出。積分放大器的輸出超過斜坡高度時(shí)，積分放大器周邊的開關(guān)關(guān)閉，從而降低通道增益。圖 7 顯示了對(duì)限幅正弦波更好的響應(yīng)。削波恢復(fù)電路通過降低整個(gè)削波狀態(tài)下的通道增益來努力限制積分放大器的最大擺幅。在 20 kHz 輸入頻率和 20V 電源電壓下，ADRC 電路為 8Ω 電阻提供了 22W 輸出功率，同時(shí)使 THD 降低了 0.52%。

結(jié)語

由于 D 類放大器為設(shè)計(jì)人員帶來了實(shí)實(shí)在在的優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于平板電視中。D 類放大器有助于散熱且無需散熱片，從而使工業(yè)設(shè)計(jì)更加緊密，對(duì)推出特色化產(chǎn)品而言非常重要。

對(duì)那些從 AB 類放大器轉(zhuǎn)向 D 類放大器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員而言，他們必須注意避免一些常見的延遲設(shè)計(jì)進(jìn)程的問題。只要您遵循本文的有關(guān)建議，就能將這些問題降到最小，從而加速設(shè)計(jì)進(jìn)程。（本文選自audiodesignline網(wǎng)站）