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高瓦數設計挑戰有解 數位放大器打開應用新天地
新通訊 20092 月號 96 期《 技術前瞻 》
文.Kevin Belnap/Yong-Gwn Kim
自從數位放大器技術問世以來,至今已有長足的進展。數位放大器技術的進步,主要出現在各通道的功率級在功率輸出上的表現。相較於第一代的功率級,現今可用的功率至少增加十倍,達各通道10∼315瓦。然而,功率級爆發性的成長也帶來了不少設計上的挑戰。
最新的300瓦功率級能夠處理相當大量的電流,如本文所採用的範例方案TAS5261,其最大關機電流便可達17安培。高功率放大器絕大部分的設計挑戰都與高電流量有關,音訊路徑中的每一個元件都必須考量到這點。此外,由於H橋所需的電壓為50伏特,因此元件也必須能安全地在此電壓下運作;在進行印刷電路板(PCB)設計時,亦須考量到訊號線寬度及電磁波干擾(EMI)。  

長時間大功率輸出對SMPS散熱帶來挑戰  

一般而言,可達到各通道300瓦的立體聲或多重頻道產品需要能夠持續達到600瓦,才能符合美國聯邦貿易委員會(FTC)目前的規定。根據FTC的規定,左右聲道必須持續5分鐘發揮全功率,廠商才能聲稱此功率為額定功率。切換式電源供應器(SMPS)是數位放大器目前最普遍使用的電源技術,因此在這個設計案例中,SMPS必須至少能提供5分鐘的600瓦功率級。從散熱的角度而言,在實際設計時,最好採用能持續達到此一功率輸出的SMPS,如推挽式、半橋式或全橋式SMPS。  

圖1 SMPS變壓器磁性的B-H遲滯曲線。陰影區為返馳式拓撲所採用的曲線。

至於低功率SMPS設計(低於200瓦),最常採用返馳式拓撲。在返馳式SMPS中,僅使用一部分的變壓器磁性B-H曲線(圖1),另外,返馳式SMPS的構造較為簡易,成本也較為低廉。  

由於高功率SMPS的高電流會在SMPS變壓器中造成極高的磁通量,因此使用整個B-H遲滯迴路曲線可降低磁性核心的耗損。推挽式或半橋式拓撲可增加SMPS的功率,但複雜度及成本也隨之增加。  

為了承受高功率及高電流,SMPS中使用的元件如變壓器等也必須更換。對220伏特交流電輸入,600瓦SMPS的峰值電流可達到15安培。對於110伏特交流電設計(90∼136伏特交流電輸入),則建議在濾波器後使用倍壓器或功率因素修正(PFC)。因為若採用90∼136伏特交流電輸入,SMPS的輸出功率若要達600瓦,勢必將輸入更大的電流。在這類SMPS中,應密切監視的元件包括主要輸入交流轉直流整流器電容,以及輔助直流電漣波電壓消除電容。另外,輸入EMI線路濾波器也必須能承受增加的功率負載。  

電感元件須具備良好溫度範圍  

針對高漣波電流進行設計則有另外的考量。如圖2所示的電路,在H橋電壓(PVDD)為50伏特、使用10μH電感且切換頻率為384kHz的情況下,使用本文範例方案的系統所出現的漣波電流可達到1.6安培。這表示輸出LC濾波器及PVDD電容中的電感及電容必須能夠處理負載電流及此漣波電流。濾波器電感中出現高電流,表示電感必須有相當低的直流電阻(建議低於25毫歐姆),否則元件溫度的上升將非常可觀。然而,即使電阻相當低,濾波器電感仍會出現I2R耗損,因此電感必須能承受難以避免的溫度上升情況,尤其核心材料更是如此。

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圖2 本文範例參考設計的PVDD電容及輸出LC濾波器等元件

PCB設計小心翼翼 EMI議題有解  

高電流放大器及SMPS的PCB訊號線必須有最小的電阻,才能夠將I2R耗損降至最低。一般而言,這表示應該使用2盎司的銅,並使訊號線盡可能寬。圖3為本文範例方案搭配的PCB訊號線參考設計。為了將EMI及音訊效能的問題降至最低,採用本方案的設計人員應盡可能按照其中的配置來進行設計,特別是在功率級的高電壓/高功率端,最好不要進行任何更動。

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圖3 本文範例方案所搭配的高電流訊號線PCB參考設計

高功率設計有解 數位放大器應用打開新天地  

隨著數位放大器的輸出功率提升,除了可攜式電子產品之外,其他消費性電子產品也能享受到採用數位放大器所帶來的優勢。但高瓦數設計會帶來許多與一般可攜式產品完全不同的應用設計挑戰,特別是散熱、電磁波干擾等議題,其困難度比一般可攜式產品要艱鉅許多,因此設計人員在進行這類產品的開發時必須特別注意。  

(本文作者任職於德州儀器)  

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