數(shù)字放大器對電源帶來挑戰(zhàn)

　　如今，數(shù)字放大器技術(shù)正在改變消費(fèi)類音頻產(chǎn)品市場。但說起六年前，它還是一項(xiàng)新技術(shù)，當(dāng)時(shí)希望采用該技術(shù)的制造商面臨三項(xiàng)主要難題。

　　首先，信號(hào)通路(signal path)改變了架構(gòu)。數(shù)字放大器的輸入是脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號(hào)，輸出是高壓脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。這就要求數(shù)據(jù)通路從以模擬為中心向全數(shù)字轉(zhuǎn)變。其次，數(shù)字放大器通過MOSFET H橋?qū)⒐β室霌P(yáng)聲器，取代了線性AB類放大器。最后也是最棘手的一個(gè)障礙，是通常(并非一定)要采用開關(guān)電源(SMPS)替代線性穩(wěn)壓電源。

　　數(shù)字放大器從電源獲得30至40V的信號(hào)，直接將其傳輸至揚(yáng)聲器，并以數(shù)百kHz的頻率對信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。通過改變該電壓的占空比(脈寬)，聲音就得到還原。該電壓通過4個(gè)配置成H橋的MOSFET通過揚(yáng)聲器。這些MOSFET不是全導(dǎo)通就是全關(guān)閉，所以僅產(chǎn)生有限的熱損耗。數(shù)字放大器一般沒有反饋，并直接將電源電壓傳遞至揚(yáng)聲器，所以與帶反饋的系統(tǒng)相比，數(shù)字放大器需要更好的電壓調(diào)節(jié)。

　　采用開關(guān)電源和數(shù)字放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遵從右文列舉的一些指導(dǎo)原則，可避免許多常見問題，同時(shí)還能縮短開發(fā)時(shí)間。

應(yīng)該

　　1.采用開關(guān)電源。與線性電源相比，開關(guān)電源體積較小，重量較輕，并具有更好的成本/功率和成本/容量比。但它也存在不足之處，如增加了電磁干擾(EMI)、復(fù)雜度提高以及不同的負(fù)載處理曲線。這些問題能夠獲得解決，但需要采用一些新技術(shù)。

　　2.留意系統(tǒng)布局及由開關(guān)電源的開關(guān)產(chǎn)生的較高EMI。較高電壓需要遵從某些設(shè)計(jì)規(guī)則，并獲得相關(guān)管理部門的批準(zhǔn)。

　　3.檢查短期和長期功率。若一個(gè)音頻信號(hào)具有較高波峰系數(shù)，則意味著峰值可能很高，但平均功率遠(yuǎn)低于峰值。最壞的情況是，在全功率條件下的平均音頻功率約為全功率的1/8。例如，在一個(gè)每聲道能輸出100W功率的5.1聲道家庭影院中，所需的平均功率為600W/8=75W。開關(guān)電源的效率約為80%，所以若電源能提供100W功率，則系統(tǒng)可很好工作。美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)(FTC)要求：在所有聲道以1/8的功率預(yù)熱1小時(shí)后，其中兩個(gè)聲道必須以全功率驅(qū)動(dòng)5分鐘。

　　4.只要有可能，就采用現(xiàn)成的開關(guān)電源。在數(shù)字電視、DVD接收機(jī)和播放機(jī)中一般采用開關(guān)電源。因其出貨批量大，近年來開關(guān)電源的成本已大幅下降。

　　5.降低開關(guān)電源的源阻抗。數(shù)字放大器與模擬放大器的其中一項(xiàng)區(qū)別，是數(shù)字放大器具有開環(huán)架構(gòu)。開關(guān)電源的源阻抗與數(shù)字放大器的整體諧波失真構(gòu)成直接比例關(guān)系。解決該問題的最佳途徑是使開關(guān)電源盡可能靠近數(shù)字放大器板，并在PCB上采用較寬的電源走線及低口徑的電源線。

圖：開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓/輸出電流比較 本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/259048.htm

不應(yīng)該

　　1.假定數(shù)字放大器是EMI的元兇。在與客戶打交道的過程中，幾乎每個(gè)客戶報(bào)告的EMI問題都不是由數(shù)字放大器引起的，而是要?dú)w結(jié)于開關(guān)電源。若遵守了提供的參考布局，就能把數(shù)字放大器產(chǎn)生的EMI降得很低，特別是對大電流信號(hào)通路來說。

　　2.忘記過載處理方法的差異。開關(guān)電源與線性電源的過載處理方法不同。線性電源的變壓器具有阻抗。隨著變壓器繞組內(nèi)電流的增加，產(chǎn)生的IR降導(dǎo)致輸出電壓降低，并使變壓器發(fā)熱。通常在變壓器內(nèi)整合一個(gè)熱傳感器，以此避免永久失效。而開關(guān)電源具有不同的保護(hù)機(jī)制。當(dāng)電流負(fù)載增加時(shí)，電壓的降低過程要平緩地多。但是，一旦達(dá)到電流或熱容限，立即進(jìn)入關(guān)斷模式。只要能準(zhǔn)確找出過載部位，這就不會(huì)成為一個(gè)問題。

　　3.過多關(guān)注電源調(diào)整。因數(shù)字放大器是開環(huán)的，所以它們的電源抑制比(PSRR)較線性放大器低。一般來說，調(diào)整率低于5%的開關(guān)電源都能很好地滿足大多數(shù)設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)沒有音頻信號(hào)輸入時(shí)，PSRR=20×Log(Vout(f)/Vinjected(f)。這是因?yàn)椋?dāng)沒有音頻信號(hào)輸入時(shí)，TI的數(shù)字放大器輸出是靜音的，所以可獲得無限大的PSRR。但通常輸入一個(gè)1kHz的音頻信號(hào)，然后測量該輸入信號(hào)的輸出功率。

作者：Kevin Belnap

數(shù)字家庭音頻產(chǎn)品行銷工程師

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