以高瓦數(shù)數(shù)字放大器進行設(shè)定

數(shù)字放大器功率級提供的功率如今提升到各通道 10 W 到 315 W 的程度。功率經(jīng)過提升后，使得更多種消費性電子產(chǎn)品或其它電子產(chǎn)品能夠運用數(shù)字放大器的優(yōu)點 (高效率及數(shù)字信號完整性等)，然而，此一功率級等比增加有其設(shè)計方面的挑戰(zhàn)。

　　最新的 300 W 功率級能夠處理相當(dāng)大的電流量，例如，德州儀器所發(fā)表 TAS5261 的最大關(guān)機電流為 17 安培。高功率放大器的大部分設(shè)計挑戰(zhàn)與處理這方面的高電流量有關(guān)，必須針對音頻路徑中的任何組件予以考慮。此外，H 橋所需的電壓為 50V，因此，針對這一設(shè)計選擇的組件必須能夠安全地在此電壓下運作。

　　高功率數(shù)字放大器的設(shè)計挑戰(zhàn)包括：

　　1) SMPS 問題，包括拓樸及高流量設(shè)計等問題;

　　2) 必須正確指定 SMPS 及高流量信號路徑中的重要組件，以處理較高的功率和電流;

　　3) 印刷電路板 (PCB) 設(shè)計問題，包括信號線寬度及電磁波干擾 (EMI)。

　　SMPS 問題

　　一般而言，可達到各通道 300 W 的立體聲或多通道產(chǎn)品需要能夠持續(xù)達到 600 W，才能符合美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會 (FTC) 現(xiàn)今制定的規(guī)定。根據(jù) FTC 的規(guī)定，左右聲道必須持續(xù)五分鐘發(fā)揮全功率，廠商才能聲稱此功率為額定功率。由于切開關(guān)式電源(SMPS) 是數(shù)字放大器目前最普遍使用的電源技術(shù)，因此這需要 SMPS 能夠提供至少五分鐘的600 W功率級 。從散熱的角度而言，五分鐘是相對較長的時間，實際上，SMPS 必須能夠持續(xù)達到這一功率。對于此這一高功率，一般建議采用推挽式、半橋式或全橋式 SMPS。

　　至于低功率 SMPS 設(shè)計 (低于 200 W)，最常采用反向拓撲。本文不在此細述何以推挽式或半橋式 SMPS 適用于高功率級等，以下僅提供概略說明。在反向 SMPS 中，僅使用一部分的變壓器磁性 B-H 曲線 (見圖 1)，另外，反向 SMPS 的構(gòu)造較為簡易，成本也較為低廉。

　　圖 1. SMPS 變壓器磁性的 B-H 遲滯曲線

　　由于高功率 SMPS 的高電流會在 SMPS 變壓器中造成極高的磁通量，因此使用整個 B-H 遲滯回路曲線可降低磁性核心的損耗。推挽式或半橋式拓樸可增加 SMPS 的功率，然而，設(shè)計的復(fù)雜度及成本也隨之增加。

　　另外也需要更換 SMPS 中使用的組件，才能達到高功率及高電流。而 SMPS 變壓器也必須增大，才能處理高功率及高電流。對于 220 VAC 輸入，600 W SMPS 的峰值電流可達到 15 安培。對于 110 VAC 設(shè)計 (90 VAC 至 136 VAC)，則建議在濾波器后使用倍壓器或功率因素修正 (PFC)，這是因為對于 90 VAC至 136 VAC 輸入的 600 W SMPS 而言，輸入電流會相當(dāng)大。其中需要密切監(jiān)視的組件包括主要輸入交流轉(zhuǎn)直流整流器電容，以及輔助 DC 漣波電壓消除電容。另外，輸入 EMI 線路濾波器也必需能夠支持增加的功率負載。

　　由于設(shè)計這些電源供應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，而且需要專業(yè)知識，因此一般建議使用現(xiàn)有的 SMPS 電源供應(yīng)。

　　音頻信號路徑的組件

　　針對較高的紋波電流進行設(shè)計則有另外的考慮。例如，根據(jù)圖 2 顯示的電路，在 H-橋電壓 (PVDD) 為 50V、使用 10µH 電感且切換頻率為 384 kHz 的情況下，使用 TAS5261 的系統(tǒng)所出現(xiàn)的紋波電流可達到 1.6 安培。這表示，輸出 LC 濾波器及 PVDD 電容中的電感及電容必須能夠處理負載電流及此紋波電流。濾波器電感中出現(xiàn)高電流也表示電感必須有相當(dāng)?shù)偷?DC 電阻 (建議低于 25 毫歐姆)，然而，即使電阻相當(dāng)?shù)停瑸V波器電感也會出現(xiàn) I2R 耗損。電感必須能夠因應(yīng)最終造成的溫度上升，尤其核心材料更是如此。TAS5261 參考設(shè)計包含材料表及特定電感零件編號。

　　圖 2. TAS5261 參考設(shè)計的 PVDD 電容及輸出 LC 濾波器等組件

　　PCB 設(shè)計問題

　　高電流放大器及 SMPS 的 PCB 信號線必須有最小的電阻，才能夠?qū)?I2R 耗損降至最低。一般而言，這表示應(yīng)該使用 2 盎司的銅，并且使信號線盡可能寬。圖 3 顯示 TAS5261 參考設(shè)計 PCB 的信號線。為了將 EMI 及音頻性能的問題降至最低，應(yīng)該盡可能按照其中的配置，并且將這一配置完全不變地應(yīng)用于功率級的高電壓/高功率端。高功率信號線位于頂層的集成電路 (IC) 右側(cè) (如箭頭所示)。圖 3 另顯示 TAS5261 參考設(shè)計的 PCB 配置。

　　圖 3. TAS5261 參考設(shè)計 PCB 的高電流信號線范例

　　數(shù)字放大器的全新高瓦數(shù)功率級有助于開發(fā)更加多樣化的產(chǎn)品及應(yīng)用，本文所述的概念可協(xié)助克服進行高功率設(shè)計時遭遇的主要挑戰(zhàn)。