如今,数字放大器技术正在改变消费类音频产品市场。但说起六年前,它还是一项新技术,当时希望采用该技术的制造商面临三项主要难题。

  首先,信号通路(signal path)改变了架构。数字放大器的输入是脉冲编码调制(PCM)信号,输出是高压脉宽调制(PWM)信号。这就要求数据通路从以模拟为中心向全数字转变。其次,数字放大器通过MOSFET H桥将功率引入扬声器,取代了线性AB类放大器。最后也是最棘手的一个障碍,是通常(并非一定)要采用开关电源(SMPS)替代线性稳压电源。

  数字放大器从电源获得30至40V的信号,直接将其传输至扬声器,并以数百kHz的频率对信号进行调制。通过改变该电压的占空比(脉宽),声音就得到还原。该电压通过4个配置成H桥的MOSFET通过扬声器。这些MOSFET不是全导通就是全关闭,所以仅产生有限的热损耗。数字放大器一般没有反馈,并直接将电源电压传递至扬声器,所以与带反馈的系统相比,数字放大器需要更好的电压调节。

  采用开关电源和数字放大器进行设计时,遵从右文列举的一些指导原则,可避免许多常见问题,同时还能缩短开发时间。

应该

  1.采用开关电源。与线性电源相比,开关电源体积较小,重量较轻,并具有更好的成本/功率和成本/容量比。但它也存在不足之处,如增加了电磁干扰(EMI)、复杂度提高以及不同的负载处理曲线。这些问题能够获得解决,但需要采用一些新技术。

  2.留意系统布局及由开关电源的开关产生的较高EMI。较高电压需要遵从某些设计规则,并获得相关管理部门的批准。

  3.检查短期和长期功率。若一个音频信号具有较高波峰系数,则意味着峰值可能很高,但平均功率远低于峰值。最坏的情况是,在全功率条件下的平均音频功率约为全功率的1/8。例如,在一个每声道能输出100W功率的5.1声道家庭影院中,所需的平均功率为600W/8=75W。开关电源的效率约为80%,所以若电源能提供100W功率,则系统可很好工作。美国联邦贸易委员会(FTC)要求:在所有声道以1/8的功率预热1小时后,其中两个声道必须以全功率驱动5分钟。

  4.只要有可能,就采用现成的开关电源。在数字电视、DVD接收机和播放机中一般采用开关电源。因其出货批量大,近年来开关电源的成本已大幅下降。

  5.降低开关电源的源阻抗。数字放大器与模拟放大器的其中一项区别,是数字放大器具有开环架构。开关电源的源阻抗与数字放大器的整体谐波失真构成直接比例关系。解决该问题的最佳途径是使开关电源尽可能靠近数字放大器板,并在PCB上采用较宽的电源走线及低口径的电源线。

图:开关电源与线性稳压电源的输出电压/输出电流比较


不应该

  1.假定数字放大器是EMI的元凶。在与客户打交道的过程中,几乎每个客户报告的EMI问题都不是由数字放大器引起的,而是要归结于开关电源。若遵守了提供的参考布局,就能把数字放大器产生的EMI降得很低,特别是对大电流信号通路来说。

  2.忘记过载处理方法的差异。开关电源与线性电源的过载处理方法不同。线性电源的变压器具有阻抗。随着变压器绕组内电流的增加,产生的IR降导致输出电压降低,并使变压器发热。通常在变压器内整合一个热传感器,以此避免永久失效。而开关电源具有不同的保护机制。当电流负载增加时,电压的降低过程要平缓地多。但是,一旦达到电流或热容限,立即进入关断模式。只要能准确找出过载部位,这就不会成为一个问题。

  3.过多关注电源调整。因数字放大器是开环的,所以它们的电源抑制比(PSRR)较线性放大器低。一般来说,调整率低于5%的开关电源都能很好地满足大多数设计的要求。当没有音频信号输入时,PSRR=20×Log(Vout(f)/Vinjected(f)。这是因为,当没有音频信号输入时,TI的数字放大器输出是静音的,所以可获得无限大的PSRR。但通常输入一个1kHz的音频信号,然后测量该输入信号的输出功率。

作者:Kevin Belnap

数字家庭音频产品行销工程师

德州仪器公司