APA提升平板顯示器的音頻性能

　　音頻功率放大器 (APA) 技術(shù)的最新發(fā)展進(jìn)一步提高了平板顯示器的音質(zhì)，使之具有了與其優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量相稱的音響效果。

　　由于線性放大器的效率低下，平板顯示器業(yè)轉(zhuǎn)而采用D類APA作為音頻解決方案。D類APA的操作熱量更低，消耗的功率也少得多。采用D類APA的設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)一步提高其應(yīng)用的音頻功率性能，同時(shí)又不會(huì)增加熱量與功耗，從而可以保持體積較小的變壓器與穩(wěn)壓器，并消除了采用散熱片的必要。事實(shí)上，D類APA甚至可以在增強(qiáng)功率性能的同時(shí)還能降低熱量與功耗。

　　為了最大化D類APA的性能，我們只需遵循有關(guān)文檔詳細(xì)要求的布局及測試程序即可。

　　2 線性APA的問題

　　線性APA由于電源通過線性放大器的輸出級(jí)晶體管產(chǎn)生的壓降而導(dǎo)致其自身效率低下。事實(shí)上，大多數(shù)情況下，其消耗的功率比所提供給喇叭的功率還要高。線性放大器之所以效率不高，原因在于電源通過線性放大器的輸出級(jí)晶體管產(chǎn)生的壓降。當(dāng)線性放大器的輸出電壓信號(hào)與電源電壓不相等時(shí)，放大器會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部功率損失。當(dāng)放大器的輸出電壓信號(hào)與電源電壓相等時(shí)，放大器又會(huì)產(chǎn)生失真，因?yàn)殡妷盒盘?hào)被電源軌"剪切"了，請參見圖1。

　　圖1 10-V、1-kHz正弦波剪切電源軌跡

　　剪切造成的失真影響聽覺享受，通常應(yīng)當(dāng)避免。因此，總會(huì)有從電壓至輸出電壓信號(hào)的內(nèi)部壓降。壓降值由電源電壓 (VDD) 減去輸出電壓的RMS值獲得。壓降乘以平均電源電流IDD(avg)　就得到線性放大器的內(nèi)部功耗。壓降越大，放大器的效率就越低。計(jì)算差動(dòng)輸出線性放大器的簡單方程式如下：

　　h = (p*sqrt(2*PL*RL))/(4*VDD) (1)

　　其中，

　　PL = 喇叭獲得的功率

　　RL = 喇叭電阻

　　VDD = 電源電壓

　　從方程式1中，從12-V電源向8-ohm 喇叭提供3 W 功率的線性放大器的效率僅為45%，也就是說，立體聲解決方案的總功耗為13.3 W。一般17英寸LCD監(jiān)視器(它還需要一個(gè)3 W放大器)的總功耗為90 W。在該例中，線性放大器可消耗提供給LCD監(jiān)視器總功率的近15%。此外，放大器還散發(fā)7.3 W的熱量，這就要求采用較大的散熱片。

　　3 D類APA如何解決線性放大器的問題

　　與線性APA不同，D類APA的效率不取決于PL或VDD。從理論上講，D類APA的效率達(dá)100%，因?yàn)镈類輸出晶體管是作為快速開啟與關(guān)閉的開關(guān)而發(fā)揮作用的。當(dāng)晶體管開啟時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓 (supply voltage)。如果晶體管是完全在理想狀況下的，那么就不會(huì)出現(xiàn)壓降，乘以平均電源電流時(shí)也就不會(huì)導(dǎo)致功率消耗。此外，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，它們則成為開放的電路，無電流通過該電路，因此相應(yīng)也就沒有功耗。圖2顯示了D類APA--TPA3004D2的輸出波形圖。

　　圖2 TPA3004D2、12-W立體聲D類APA輸出波形圖

　　不過，非理想狀態(tài)的晶體管在開啟時(shí)并非短路。因此，D類效率主要由輸出晶體管的導(dǎo)通電阻rds(on) 決定。計(jì)算D類放大器的簡單方程式如下：

　　h = (RL/(RL + rds(on))) x 100% (2)

　　應(yīng)用前面決定線性放大器效率為45% 時(shí)相同的操作條件，且假定rds(on) 為0.58 ohm，這時(shí)得到D類的效率為93%。但是，隨著器件進(jìn)入穩(wěn)定的操作狀態(tài)而升溫，且rds(on) 也隨之升高，我們以 87% 作為效率值以對其進(jìn)行更準(zhǔn)確的反映。與線性放大器消耗的13 W相比，D類放大器的總功耗僅為6.8 W。由于功耗降低了48%，因此設(shè)計(jì)人員可采用更小的變壓器與穩(wěn)壓器。此外，相比于線性放大器高達(dá)7.3 W 的功耗，D類功耗僅為0.8 W，因此并不要求采用散熱片。

　　250-kHz 的開關(guān)頻率對音頻信號(hào)進(jìn)行最低 10 倍采樣，從而確保了音頻的高質(zhì)量，與如今采用線性放大器的應(yīng)用相當(dāng)或優(yōu)于目前應(yīng)用水平。圖二給出的高頻PWM輸出波形帶有音頻信號(hào)。喇叭作為僅復(fù)制音頻頻率的低通濾波器發(fā)揮作用。在大多數(shù)應(yīng)用中，在喇叭之前還要求進(jìn)行最小過濾以減小 EMI。