為電子產(chǎn)品選擇合適的器件是一項(xiàng)非常復(fù)雜的事情，常常要在許多方面反復(fù)進(jìn)行折中，例如D類音頻放大器就是這種器件。
下面通過(guò)一個(gè)假設(shè)的應(yīng)用，例如由墻上電源適配器或堿性電池供電的手機(jī)或個(gè)人媒體播放器(PMP)底座，來(lái)介紹選擇這類放大器的過(guò)程。
市場(chǎng)推廣的需求
市場(chǎng)人員可能對(duì)產(chǎn)品提出很多具體建議，從一個(gè)很小的細(xì)節(jié)(例如，應(yīng)該使用立體聲揚(yáng)聲器)，到一堆要求與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相媲美的指導(dǎo)意見(jiàn)。市場(chǎng)人員也可能提出讓產(chǎn)品符合業(yè)界的性能標(biāo)準(zhǔn)(如Microsoft Windows Vista或Dolby Digital認(rèn)證)。
在我們的項(xiàng)目中(PMP底座或外置音箱)，我們假設(shè)市場(chǎng)人員要求產(chǎn)品在采用電池供電時(shí)，聲音要盡可能大，工作時(shí)間要盡可能長(zhǎng)，而且當(dāng)電池快耗盡時(shí)應(yīng)該溫和適度地降低性能，使用兩個(gè)直徑50mm、功率為3W的8Ω揚(yáng)聲器。我們進(jìn)一步假設(shè)，市場(chǎng)人員沒(méi)有對(duì)底座的傳輸帶寬、線性度或信噪比(SNR)提出更多的意見(jiàn)。
電路約束
如果產(chǎn)品有兩個(gè)電源，一個(gè)是穩(wěn)壓的12V墻上電源適配器，一個(gè)是可選的堿性電池組(采用新電池時(shí)的標(biāo)稱電壓為9V，在電能快耗盡時(shí)的電壓為6V)。
輸出
功率決定了放大器所需的輸出級(jí)拓樸。為向8Ω負(fù)載提供每通道3W的功率，需要4.90Vrms左右的供電電壓，或是6.93V的峰值電壓。由于單端(半橋)布局即使在最好的供電條件下也無(wú)法產(chǎn)生所需的功率，必須采用BTL(全橋)拓?fù)洹?/font>
進(jìn)一步說(shuō)，在最差(6V)的供電電壓時(shí)，即使BTL放大器也不能產(chǎn)生維持3W輸出所需的6.93V峰值電壓。不過(guò)這可能不是問(wèn)題，因?yàn)榻咏耆烹姷碾姵匾话悴豢赡芴峁﹥蓚�(gè)3W揚(yáng)聲器所需的電流了。最終的產(chǎn)品將可以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)人員所說(shuō)的“溫和降級(jí)”的特點(diǎn)。
物理/機(jī)械約束
D類音頻放大器的效率要遠(yuǎn)高于線性(AB類)放大器。換言之，如果要給負(fù)載提供一個(gè)給定的輸出功率，D類放大器在散熱上浪費(fèi)的功率要遠(yuǎn)小于相同輸出功率的AB類放大器。
有必要檢查是否需要特殊的熱設(shè)計(jì)。假設(shè)，現(xiàn)在有一個(gè)合適的立體聲D類放大器，可以在4.5V電壓下工作，由正常工作的電源供電，可以輸出2×3W的足夠功率。
在2×3W輸出功率(驅(qū)動(dòng)兩個(gè)通道)的條件下，效率與輸出功率的關(guān)系圖如圖所示，從圖中可見(jiàn)，器件的典型效率是82%。當(dāng)有了這個(gè)指標(biāo)之后，可由下式得出在這些條件下的散熱功率。
η=Pout/Pin=Pout/(Pout+Pdiss)
Pdiss=Pout×(1-η)/η
這里，η為百分比。
圖 效率與輸出功率的關(guān)系曲線
立體聲輸出是6W(2×3W)，效率是82%，可以計(jì)算出Pdiss=1.32W，這可不是一個(gè)小數(shù)字。采用器件建議的封裝，不太容易把熱量散發(fā)出去，所以把熱量散發(fā)出去的唯一辦法是通過(guò)PCB板上的鍍銅。
因此，在PCB布局階段需要注意，確保暴露在器件下的引腳是與PCB板連在一起的，通過(guò)多條路徑連到焊料側(cè)的帶銅接地上。在成本和封裝約束允許的情況下，在PCB板上暴露的銅面應(yīng)該盡可能大，以便將放大器產(chǎn)生的熱量散出去。
這時(shí)，D類放大器的評(píng)估板是非常有幫助的，生產(chǎn)商提供的PCB布局和元器件的放置位置可以做為很好的參考，并可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，知道器件在加負(fù)載情況的溫升，并確保在高溫下器件不會(huì)關(guān)斷或發(fā)生誤動(dòng)作。
EMI約束
D類放大器的輸出級(jí)會(huì)在電源軌之間快速地開(kāi)和關(guān)，從而達(dá)到此類器件所特有的高效率。對(duì)放置在放大器附近的其他設(shè)備和電路來(lái)說(shuō)，這種快速上升和跌落時(shí)間所產(chǎn)生的EMI是非常有害的。雖然對(duì)于采用D類放大器時(shí)，如何進(jìn)行折中以滿足RF輻射標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)分析超出了本文的論述范圍，下面列出一些可供參考的指導(dǎo)意見(jiàn)。
首先是要了解產(chǎn)品必須滿足的輻射標(biāo)準(zhǔn)，以及在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下希望留出的裕量。
不要假設(shè)所用的D類放大器的開(kāi)關(guān)頻率是300kHz，不會(huì)碰到30MHz或以上的情況，超出這個(gè)頻段范圍的輻射經(jīng)常被檢測(cè)。在100倍基本開(kāi)關(guān)頻率的聲頻段，都會(huì)出現(xiàn)難以消除的EMI輻射。
揚(yáng)聲器的引線實(shí)際上是一個(gè)有效的RF輻射天線。引線越長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)EMI問(wèn)題的頻率就越低。
如果在揚(yáng)聲器前使用了LC濾波器，截止頻率為20kHz，就必須檢查電感在整個(gè)EMI輻射頻率范圍內(nèi)是否能夠正常工作。
如果在底座外殼內(nèi)有足夠的空間和充足的PCB板面積，在設(shè)計(jì)PCB板原型時(shí)就可以有多個(gè)濾波器設(shè)計(jì)方案，這樣就可以在產(chǎn)品進(jìn)行EMC測(cè)試時(shí)嘗試不同的方案，以達(dá)到所需的性能。
一些放大器提供商發(fā)布了在給定的電纜長(zhǎng)度和濾波器元件的條件下，評(píng)估套件的RF輻射性能測(cè)試結(jié)果，這樣就大大方便了工程師著手進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了從源頭上減少EMI，大多數(shù)新型D類放大器都使用了專利的調(diào)制技術(shù)，以保證音頻質(zhì)量和效率。
供應(yīng)鏈約束
不幸的是，在為產(chǎn)品仔細(xì)選擇器件之后，要由許多非工程方面的因素來(lái)決定是否采用這種器件。下面是一些可能碰到的問(wèn)題。
● 供應(yīng)商是否通過(guò)了采購(gòu)認(rèn)證？
● 器件供應(yīng)商的技術(shù)支持人員是否勝任？
● 后續(xù)成本滿足目標(biāo)要求嗎？
● 對(duì)供貨商能夠以所需的數(shù)量提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品是否有信心？
細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
在任何音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，精細(xì)的外觀可以增加(或減少)用戶對(duì)產(chǎn)品的整體體驗(yàn)。在選擇各個(gè)音頻部件的增益時(shí)，應(yīng)在避免出現(xiàn)揚(yáng)聲器限幅失真的條件下，使整體的增益結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到高音量。但也不能使增益過(guò)大，避免噪聲超出可接受的音量水平。
應(yīng)該使在開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)出現(xiàn)的瞬態(tài)噪聲最小化，但要抑制噪聲，產(chǎn)品、價(jià)位和用戶體驗(yàn)都會(huì)發(fā)生變化。對(duì)喀嗒聲的抑制性能最終是由放大器決定的。一些生產(chǎn)商在數(shù)據(jù)表中給出了典型的喀嗒聲抑制參數(shù)，這樣就可以在進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)測(cè)試前,對(duì)不同器件進(jìn)行比較。 |
