新一代的高性能低功耗音頻放大器

簡介：

由于智能手機和平板電腦等移動設(shè)備的激增，為了延長電池壽命，必須降低功耗。迄今為止，重點主要放在處理器上，它是電路板上功耗最大的器件。目前市場對低功耗音頻產(chǎn)品有新的需求。但移動設(shè)備基本上是一種多媒體消費類設(shè)備。而在過去(約20世紀(jì)初)，手機的主要功能是電話 – 使用音頻信號路徑的時間在設(shè)備使用時間中所占比例非常小。因此，由于音頻信號路徑對設(shè)備的整體功耗沒有很大的影響，所以其功耗并不重要。相比之下，目前平板電腦/智能手機是音頻/多媒體消費(音樂、電影、廣播、有聲讀物等)的主要設(shè)備，也是驅(qū)動低功耗音頻解決方案的市場動力。本文將簡要回顧音頻放大器的歷史和當(dāng)前先進的音頻放大器，然后對新唐科技(Nuvoton)的新一代超低功耗音頻放大器所采用的新穎架構(gòu)和電路技術(shù)進行了描述。

發(fā)展現(xiàn)狀:

直到90年代后期，音頻放大器主要采用大家所熟知的EE101 A類、B類和AB類模擬放大器拓撲。特定應(yīng)用下，通過在性能(THD等)、功耗與成本之間進行權(quán)衡來決定工程拓撲的選擇。功耗在最低25%(A類)到通過犧牲性能(AB類)來實現(xiàn)的最高78.5%(理論值)的范圍內(nèi)不等。由于終端設(shè)備主要是交流供電(接收器、便攜式立體聲錄放機、電視)，功耗本身并不是大問題。

在90年代中期，多種市場力量融合起來，對音頻放大器的功耗提出了更高的要求。對于大功率終端，家庭影院越來越流行。若要以低功耗實現(xiàn)6個大功率路徑，則需要使用龐大的電源和大型散熱片，并且要考慮與之相關(guān)的成本和外形因素。與此同時，平板電視首次在市場亮相。這種電視的賣點是“輕薄”，甚至沒有空間安裝散熱片來為過多的功率進行散熱。而且在這十年中，手機、iPod的問世對電池壽命提出了更高的要求。所有這些市場的發(fā)展都要求音頻放大器具有更低的功耗，而不影響音頻性能。答案就是新一類的放大器 - D類放大器。D類放大器號稱具有100%的功效理論值和超過90%的實際功效。雖然D類拓撲已經(jīng)問世幾十年，其主流應(yīng)用仍需考慮成本、性能和EMI的問題，因此僅限于高端低音炮市場。

如下圖1說明了10 W放大器的功耗與額定輸出功率的典型曲線。

圖1：AB類和D類的輸出功率與功效的曲線圖(10 W放大器)

不管是為了節(jié)省電量還是實現(xiàn)更小的外形尺寸，D類所提供的功效都使其成為要求低功耗的市場的首選拓撲。第一代D類技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，使拓撲的一些缺點和用來克服這些缺點的新方法成為業(yè)界關(guān)注的重點。

D類放大器拓撲

最基本的D類放大器拓撲采用脈寬調(diào)制(PWM)與三角波(或鋸齒波)振蕩器。圖2展示了半橋D類放大器的簡化框圖。它包括1個脈沖寬度調(diào)制器、2個輸出MOSFET和1個用于恢復(fù)被放大的音頻信號的外部低通濾波器。MOSFET交替地與輸出節(jié)點和地連接，可用作電流舵(current-steering)開關(guān)。由于輸出晶體管將輸出切換到VDD或地，D類放大器的最終輸出為高頻方波。大多數(shù)D類放大器的開關(guān)頻率通常為250 kHz至1 MHz。將輸入音頻信號比作內(nèi)部生成的三角波振蕩器，通過輸入音頻信號來調(diào)制輸出方波的脈寬。由此產(chǎn)生的方波占空比與輸入信號的電平成比例。無輸入信號時，輸出波形的占空比等于50%，與輸入信號成比例地增大或減小。

圖2：半橋模式下的D類放大器

D類放大器還會使用全橋輸出級。全橋電路使用2個半橋輸出級，并以差分方式驅(qū)動負載。這種負載連接方式通常稱為橋接負載(BTL)。正如圖3中所示，全橋結(jié)構(gòu)是通過轉(zhuǎn)換負載的導(dǎo)通路徑來工作的。因此負載電流可以雙向流動，無需負電源或隔直電容。

圖3：全橋/ BTL模式下的D類放大器

傳統(tǒng)D類放大器的缺點：

1 固定開關(guān)損耗使靜態(tài)電流更高，使小功率輸出的功效更低。D類放大器本質(zhì)上是開關(guān)電路。在其 基本架構(gòu)下，它們基于對音頻信號編碼的模式在ON和OFF之間切換。將開關(guān)輸出通過低通濾波器傳輸至負載(揚聲器)，從而恢復(fù)被放大的音頻信號。參見上面的圖3。

從理論上講，由于輸出設(shè)備的狀態(tài)不是ON就是OFF，開關(guān)不會使功率下降，所有功率均轉(zhuǎn)移至負載(功效為100%)。在實際應(yīng)用當(dāng)中，開關(guān)是由MOSFET和一個有限電阻(漏源導(dǎo)通電阻)來實現(xiàn)的。漏源導(dǎo)通電阻越低，功效越高。一個具有橋接配置(半橋)的8 Ω電阻和0.4 Ω漏源導(dǎo)通電阻的典型揚聲器可提供約90%的功效。(參見圖2)。然而，低漏源導(dǎo)通電阻意味著更大的移動設(shè)備，反之則意味著更高的輸入電容。每次開關(guān)時都需要對電容進行充電/放電，導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗(此損耗沒有模擬放大器拓撲中的損耗明顯)。更糟的是，從廣義上講，此損耗為“固定損耗”，與輸入信號無關(guān)。事實上，由于開關(guān)放大器即使在沒有任何信號的情況下也會進行開關(guān)動作，因此固定損耗是電源的恒定損耗。實際上，雖然D類放大器在全功率下的效率為90%，固定損耗會使小功率下的功效大大降低。這成為實際應(yīng)用中的一個問題，全功率下不僅僅是正弦波。不同流派的音樂具有6-10個波峰因數(shù)，大多數(shù)聽到的音都是以小功率發(fā)出，因此降低了放大器的功效。

2 EMI濾波 - D類放大器的一個眾所周知的缺點是作為開關(guān)放大器，它們具有電磁干擾，對AM頻段和手機接收產(chǎn)生干擾。目前通過使用濾波器，以及大功率應(yīng)用中用金屬外殼將輸出開關(guān)設(shè)備和輸出濾波器封裝起來解決這個問題。

3 BOM成本 - 傳統(tǒng)的D類架構(gòu)需要低通濾波器來恢復(fù)被放大的音頻信號。這會增加放大器系統(tǒng)實現(xiàn)的BOM成本。許多制造商已經(jīng)取得了最新的進展，可提供無濾波器的D類放大器，但一般都是以降低性能或增加EMI為代價。