創(chuàng)新音頻解決方案：類比半導(dǎo)體的國(guó)產(chǎn)中大功率功放技術(shù)

摘要

上海類比半導(dǎo)體技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“類比半導(dǎo)體”或“類比”）作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的模擬及數(shù)?；旌闲酒O(shè)計(jì)商，正通過(guò)其創(chuàng)新的中大功率模擬/數(shù)字功放技術(shù)，重塑消費(fèi)電子市場(chǎng)中高端音頻產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速崛起，類比半導(dǎo)體基于其17年功放研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)，另辟賽道，專注中大功率模擬/數(shù)字功放領(lǐng)域。其高端音頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)不僅在功率輸出和效率上超越了同類競(jìng)品，更以其卓越的散熱性能和集成的高階算法，滿足了市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)音頻體驗(yàn)的不斷追求。

類比半導(dǎo)體將持續(xù)提供與市面通用產(chǎn)品兼容、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、調(diào)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(shí)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(gè)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(yīng)用設(shè)計(jì)。

表 1  數(shù)字功放

1.1 優(yōu)異的基本指標(biāo)

相比國(guó)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(duì)于音箱、soundbar產(chǎn)品，常見18V供電、4Ω負(fù)載下，1%失真可以達(dá)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(duì)于電視投影儀產(chǎn)品，常見的12V、6Ω負(fù)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(shè)計(jì)的低導(dǎo)通電阻（Rdson為110mΩ典型值），類比半導(dǎo)體的演示板在12V供電、4Ω負(fù)載條件下，采用BD模式并設(shè)置768kHz的調(diào)制頻率進(jìn)行了一項(xiàng)細(xì)致的溫升對(duì)比測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果顯示，在2*1W輸出功率時(shí)，AU6815芯片的溫度與市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相當(dāng)。然而，隨著功率的提升，AU6815的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。在2*10W輸出時(shí)，AU6815的芯片表面溫度顯著低于競(jìng)品，分別低了22℃和37.9℃。當(dāng)輸出功率增至2*20W時(shí)，競(jìng)品芯片因溫度過(guò)高觸發(fā)了過(guò)溫保護(hù)（OTP），而AU6815依然穩(wěn)定運(yùn)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(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(dǎo)體的功放產(chǎn)品采用了先進(jìn)的閉環(huán)架構(gòu)，這一設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)開環(huán)架構(gòu)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(hào)條件下，輸出的聲音依然純凈無(wú)瑕，信噪比更是高達(dá)110dB，確保了卓越的音質(zhì)體驗(yàn)。

在全音頻范圍內(nèi)（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(dá)到了業(yè)界領(lǐng)先水平，充分展現(xiàn)了類比功放在音質(zhì)保真方面的卓越表現(xiàn)。而1SPW模式在20~20kHZ測(cè)試下，THD+N也控制在0.3%以內(nèi)，這一模式在保持高效率和低功耗的同時(shí)，依然維持了優(yōu)異的失真性能，滿足了市場(chǎng)對(duì)高端音頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)的嚴(yán)格要求。

圖 2  AU68x5的THD+N

1.2 支持高階算法

類比半導(dǎo)體的數(shù)字功放產(chǎn)品系列集成了先進(jìn)的DPEQ動(dòng)態(tài)低音增強(qiáng)算法，提供了精細(xì)的頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)能力。該算法能夠針對(duì)用戶設(shè)定的閾值和特定頻段進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，優(yōu)化小音量時(shí)的低音表現(xiàn)，同時(shí)在大音量播放條件下，通過(guò)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(guò)設(shè)定的低頻增強(qiáng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻信號(hào)的增益提升，增強(qiáng)了音頻的深度和力度。而在高音量狀態(tài)下，算法則自動(dòng)調(diào)整EQ參數(shù)，確保輸出信號(hào)不會(huì)超出設(shè)備處理能力，從而避免了因音量過(guò)大而引起的失真問題。

通過(guò)這種動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，類比半導(dǎo)體的數(shù)字功放不僅在小音量下提供了強(qiáng)化的低音體驗(yàn)，而且在大音量播放時(shí)也能維持音頻信號(hào)的完整性和清晰度，滿足了音頻工程師和音響愛好者對(duì)于高保真音質(zhì)的嚴(yán)格要求。

圖 3  DPEQ算法

1.3 創(chuàng)新響應(yīng)：聆聽客戶需求，直擊客戶痛點(diǎn)

在傳統(tǒng)功放產(chǎn)品中，缺乏對(duì)電源電壓（PVDD）的監(jiān)測(cè)和溫度感應(yīng)功能是常見問題。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，類比半導(dǎo)體的功放產(chǎn)品內(nèi)建了一系列創(chuàng)新功能，以滿足市場(chǎng)需求并提升用戶體驗(yàn)。

• 增強(qiáng)的電源管理：集成的掉電檢測(cè)機(jī)制有效避免了額外的欠壓檢測(cè)電路，同時(shí)優(yōu)化了異常掉電情況下的瞬態(tài)噪聲（pop noise）問題。

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

• 實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控：功放芯片的溫度可實(shí)時(shí)讀取，并通過(guò)多級(jí)溫度報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)響應(yīng)過(guò)熱情況，從而防止了因溫度過(guò)高引發(fā)的保護(hù)性斷音。

• 精準(zhǔn)聲場(chǎng)同步：多芯片同步技術(shù)確保了聲場(chǎng)的精確還原，為用戶帶來(lái)了一致性和高保真的聽覺體驗(yàn)。

通過(guò)這些創(chuàng)新應(yīng)用，類比半導(dǎo)體的功放產(chǎn)品不僅解決了客戶的技術(shù)痛點(diǎn)，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(zhǔn)確還原聲場(chǎng)

二、模擬功放

為滿足低成本音箱市場(chǎng)的需求，類比半導(dǎo)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(hào)通過(guò)外部電阻配置，提供兩檔增益調(diào)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(yīng)用。

對(duì)于低成本電視和投影儀等產(chǎn)品，我們?cè)O(shè)計(jì)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(hào)同樣支持外部調(diào)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(shè)計(jì)有效控制了掉電時(shí)的瞬態(tài)噪聲（pop noise），提升了音質(zhì)表現(xiàn)。

針對(duì)對(duì)成本效益有極致追求的應(yīng)用場(chǎng)景，類比半導(dǎo)體推出了16pin封裝的AU3107M和AU3108M功放，分別支持BD和1SPW調(diào)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(shí)，提供了更高的性價(jià)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(biāo)

類比半導(dǎo)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(biāo)低于0.05%，確保了音頻信號(hào)的純凈度和音質(zhì)的細(xì)膩度。而即便在1SPW模式下，THD+N的性能指標(biāo)也小于0.1%，同時(shí)靜態(tài)功耗降至16mA（12V），顯著提升了能效比。同時(shí)，結(jié)合典型值為140mΩ的極低導(dǎo)通電阻（Rdson），與1SPW模式的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)85%的高效率（在12V供電、4Ω負(fù)載條件下）。

圖 6  AU3138極低失真率（<0.05%）

2.2 閉環(huán)架構(gòu)，Plimit精準(zhǔn)

我們的28pin產(chǎn)品系列均支持先進(jìn)的Plimit功能，這一特性得益于閉環(huán)架構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。類比功放采用的功率限制值計(jì)算方法不受電源電壓（PVDD）波動(dòng)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(gòu)，閉環(huán)架構(gòu)下的功率限制更為精確，提供了更為可靠的性能保障。

• POUT (10% THD) = 1.25 × POUT (未削波)

• RL 是負(fù)載電阻。

• RS 是總串聯(lián)電阻，包括 RDS(on) 和輸出濾波器電阻。

• VP 是峰值幅度，受“虛擬”電壓軌限制。

  
  

2.3 卓越的EMC性能與內(nèi)置高階展頻技術(shù)

電磁兼容性（EMC）是消費(fèi)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，而類比半導(dǎo)體憑借深厚的EMC調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，已在這一領(lǐng)域取得顯著成就。我們不僅通過(guò)精心設(shè)計(jì)的外部電路來(lái)優(yōu)化EMC性能，還在產(chǎn)品內(nèi)部集成了高階展頻技術(shù)。從設(shè)計(jì)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(yùn)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(guò)EN55013和EN55022等嚴(yán)格的EMC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，展現(xiàn)出類比半導(dǎo)體在電磁兼容性方面的卓越性能和可靠性。

三、總結(jié)

類比半導(dǎo)體的功放產(chǎn)品系列在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了與市面通用產(chǎn)品的BOM兼容性，確保了軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便性和調(diào)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(biāo)上超越了傳統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，更通過(guò)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(diǎn)。

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(chǎng)對(duì)高品質(zhì)音頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。與此同時(shí)，模擬功放產(chǎn)品則以其卓越的成本效益，滿足了客戶對(duì)成本敏感型應(yīng)用的需求，尤其適合音箱、電視、投影儀等消費(fèi)電子產(chǎn)品。

（作者：類比半導(dǎo)體 2024年6月5日）