在電視機(jī)音頻放大器應(yīng)用設(shè)計中實現(xiàn)更輕薄的考慮

在10%的THD時，輸出功率為10W，這是系統(tǒng)規(guī)定的最大輸出功率。

如圖3中的圖形所示，D類放大器提供的效率與輸出功率比要遠(yuǎn)高于AB類放大器。在整個圖中，D類放大器只有在兩個點(diǎn)上比AB類放大器差：

零輸入：兩種放大器消耗的都只有靜態(tài)功率，假定兩者相同。無限過載：輸出已經(jīng)成為方波，始終都是飽和的，對于AB類也是如此。在這一點(diǎn)上，兩種放大器具有相同的效率、功耗、輸出功率(15.56 W)和失真(43.5%)。

由于效率對于電池供電的設(shè)備來說非常重要，故大部分的電池供電設(shè)備的設(shè)計師都對放大器的功耗非常關(guān)注。圖4給出了兩種放大器(注：輸入用的是正弦波，增益可變)的功耗曲線。

圖4：功耗與輸出功率的關(guān)系。

在10W額定功率上，AB類和D類放大器的功耗分別是2.53W和0.994W。在輸入較低段，D類放大器的功耗較低，而AB類放大器的功耗卻增加。這究竟與現(xiàn)實應(yīng)用中有什么關(guān)系？什么時候放大器被用于音樂或語音放大？關(guān)于這一點(diǎn)，可以利用噪聲信號進(jìn)行很好的模擬，這種信號的幅度分布與音樂類似，并獲得了一致的結(jié)果。

為了將結(jié)果與實際的收聽情形和揚(yáng)聲器的功率處理能力進(jìn)行比較，我們必須將x軸變量從功率改變成峰值因數(shù)。峰值因數(shù)反映了系統(tǒng)的平均輸出功率和峰值功率之間的關(guān)系，這里峰值功率是15.56W。

理想的噪聲源的峰值因數(shù)為無限大：其幅度分布符合具有明確差異但沒有峰值電壓限制的“正態(tài)分布”。當(dāng)我們把信號加入到輸出信號被電源軌限制的仿真放大器時，該分布將會改變。平均(RMS)電壓將隨著系統(tǒng)的增益的改變而變化。增加該RMS電壓，則峰值因數(shù)將降低，因為峰值基準(zhǔn)保持不變。

在峰值因數(shù)較高時，削波現(xiàn)象很少產(chǎn)生，但當(dāng)增益增加時，它卻經(jīng)常發(fā)生。圖5顯示了3dB峰值因數(shù)的噪聲，此時輸出信號被嚴(yán)重削波。

圖5：具有3dB噪聲的放大器輸出電壓。

為了模擬，我們不關(guān)注噪聲的“顏色”，但在實際的測試中應(yīng)采用IEC268-5信號，因為某些放大器在高頻時效率較低。

當(dāng)我們改變增益時，可以計算所有可能的峰值因數(shù)值(見圖5)對應(yīng)的功耗。

在音樂功率非常集中的15dB到12dB之間，被嚴(yán)重削波，這將迫使絕大多數(shù)用戶降低音量。9dB是揚(yáng)聲器制造商認(rèn)為尚可接受的最差峰值因數(shù)，0dB時的輸出則成了全方波。

在9dB處，將是進(jìn)行熱評估的最佳點(diǎn)， AB類放大器的功耗為3.05W，D類為0.388W。兩者的比值為3.05/0.388 = 7.86，而在進(jìn)行功率測試時，該比值僅為2.53/0.994 = 2.55。這種模擬有一個重要的意義：對于AB類放大器，熱設(shè)計方面的挑戰(zhàn)在于如何通過噪聲測試。一旦放大器設(shè)計能夠每通道吸收3.05W，則在每通道2.53W功耗的輸出功率上不會有太多的熱設(shè)計問題。額定輸出功率能夠永久保證。

由于在兩種測試中所得到的功耗相類似，故在實際應(yīng)用中采用正弦波進(jìn)行輸出功率和熱測試。當(dāng)然，雖然采用正弦波信號的測試比較容易建立，不過所產(chǎn)生的功耗將比建議的噪聲測試要低一些。

圖6

換言之，采用正弦波進(jìn)行熱評估時，會導(dǎo)致AB類放大器的功率處理能力比相同瓦數(shù)的揚(yáng)聲器要低。而對于D類放大器，該情況將相反。噪聲測試產(chǎn)生0.338W的功耗，而在額定輸出功率上實際功耗是1W，相差2.56倍之多。所以，采用什么信號進(jìn)行熱評估，將會導(dǎo)致非常大的差別。

如果在D類放大器熱評估中使用正弦波，將導(dǎo)致系統(tǒng)過大，從而增加成本，因為：IC供應(yīng)商需要較大的芯片面積來減小RDSON，這是影響效率的主要因素之一；要求D類放大器的封裝較大，以便獲得結(jié)與PCB或散熱片之間的較小熱阻。

制造商需要提供較小的散熱片或多層PCB板，以實現(xiàn)較小的Rthja，即結(jié)與環(huán)境溫度之間的熱阻。

如果使用PCB自身作為散熱片，需要仔細(xì)地布線，應(yīng)采用大面積的連續(xù)敷銅面。由于銅皮要轉(zhuǎn)移熱量，故層間應(yīng)該用多個良好的過孔連接。

老化測試

有時候熱評估中需要進(jìn)行更為嚴(yán)格的測試，即老化(Burn-In)測試。該測試中，將音頻處理器能夠提供的最大電壓加到功率放大器的輸入端，使輸出信號變成一個像方波似的信號。在本文的例子中，放大器每個通道的測試功耗高達(dá)1.41W，并且與AB類放大器沒有太大的不同。要通過這樣的測試，D類放大器要求比噪聲測試中高3.6倍的冷卻效果。

本文小結(jié)

電視機(jī)從CRT到平板的轉(zhuǎn)換要求采用較小的具有較低熱功耗的放大器，因此有了D類放大器。即便是采用傳統(tǒng)的正弦波測試，在新設(shè)計中也能將熱減少2.5倍。

工程師必須解決新的挑戰(zhàn)，即解決EMI，設(shè)計輸出濾波器，并采用具有冷卻外墊的小型放大器封裝。為了揭示所有潛在的節(jié)省成本的方法，包括采用D類放大器，現(xiàn)在有必要重新考慮測試方法。下面是建議采用的測試方法：采用中斷突發(fā)模式檢測輸出功率，加滿功率的正弦波，時間長度剛好能獲得THD值；利用噪聲信號或?qū)嶋H應(yīng)用的最壞情況(語音或音樂)來檢測熱性能。后者需要配以增益設(shè)置，以限制放大器的削波，使得即便是在滿音量時也能得到可接受的聲音效果。


Robert Polleros

技術(shù)專家組高級成員

Robert_polleros@maximhq.com

美信公司