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數位放大器對電源帶來挑戰

上網時間: 2006年10月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:數位放大器  digital amplifier  電源  訊號  架構 

如今,數位放大器技術正改變消費性音訊產品市場。但六年前它還是一項新技術,當時希望採用該技術的製造商面臨三項主要難題。

首先,訊號通道改變了架構。數位放大器的輸入是脈衝編碼調變(PCM)訊號,輸出是高壓脈寬調變(PWM)訊號。這就要求數據通道從以類比為中心向全數位轉變。其次,數位放大器透過MOSFET H橋將功率導入揚聲器,取代了線性AB類放大器。最後也是最棘手的一個障礙,是通常(並非一定)要採用交換式電源供應(SMPS)替代線性穩壓電源。

數位放大器從電源獲得30至40V的訊號,直接將其傳輸至揚聲器,並以數百kHz的頻率來還原訊號。透過改變該電壓的工作週期(脈寬),就能還原聲音。該電壓以4個配置成H橋的MOSFET通過揚聲器。這些MOSFET不是全導通就是全關閉,所以僅產生有限的熱損耗。數位放大器一般沒有反饋,並直接將電源電壓傳遞至揚聲器,所以與帶反饋的系統相較,數位放大器需要更好的電壓調節。

採用開關電源和數位放大器進行設計時,遵照本文描述的一些指導原則,可避免許多常見問題,同時還能縮短開發時間。

建議的方法

•採用開關電源。與線性電源相較,開關電源體積較小,重量較輕,並具有更好的成本/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)、複雜度提高以及不同的負載處理曲線。這些問題能夠獲得解決,但需要採用一些新技術。

•留意系統佈局及由開關電源的開關產生的較高EMI。較高電壓需要遵從某些設計規則,並獲得相關管理部門的批准。

•檢查短期和長期功率。若一個音訊訊號具有較高波峰係數,則意味著峰值可能很高,但平均功率遠低於峰值。最壞的情況是,在全功率條件下的平均音訊功率約為全功率的1/8。例如,在一個每聲道能輸出100W功率的5.1聲道家庭影院中,所需的平均功率為600W/8=75W。開關電源的效率約為80%,所以若電源能提供100W功率,則系統可很好工作。美國聯邦貿易委員會(FTC)要求:在所有聲道以1/8的功率預熱1小時後,其中兩個聲道必須以全功率驅動5分鐘。

•只要有可能,就採用現成的開關電源。在數位電視、DVD接收機和播放器中一般採用開關電源。因其出貨量大,近年來開關電源的成本已大幅下降。

•降低開關電源的源阻抗。數位放大器與類比放大器的其中一項區別,是數位放大器具有開環架構。開關電源的源阻抗與數位放大器的整體諧波失真構成直接比例關係。解決該問題的最佳途徑是使開關電源盡可能靠近數位放大器板,並在PCB上採用較寬的電源走線及低口徑的電源線。


圖:開關電源與線性穩壓電源的輸出電壓/輸出電流比較

不建議的方法

•假定數位放大器是EMI的元凶。在與客戶打交道的過程中,幾乎每個客戶報告的EMI問題都不是由數位放大器引起的,而是要歸結於開關電源。若遵守了提供的參考佈局,就能把數位放大器產生的EMI降得很低,特別是對大電流訊號通路來說。

•忘記過載處理方法的差異。開關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。隨著變壓器繞組內電流的增加,產生的IR降導致輸出電壓降低,並使變壓器發熱。通常在變壓器內整合一個熱感測器,以此避免永久失效。而開關電源具有不同的保護機制。當電流負載增加時,電壓的降低過程要平緩地多。但是,一旦達到電流或熱容限,立即進入切斷模式。只要能準確找出過載部位,這就不會成為一個問題。

•過多關注電源調整。由於數位放大器是開環的,所以它們的電源抑制比(PSRR)較線性放大器低。一般來說,調整率低於5%的開關電源都能滿足大多數設計要求。當沒有音訊訊號輸入時,PSRR=20×Log(Vout(f)/Vinjected(f)。這是因為當沒有音訊訊號輸入時,TI的數位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1kHz的音訊訊號,然後測量該輸入訊號的輸出功率。

作者:Kevin Belnap

數位家庭音訊產品行銷工程師

德州儀器公司




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