NEST031 July 2021 UCC256404
設(shè)計(jì)音訊放大器的電源時(shí)，必須留意一些特殊考量。相較於標(biāo)準(zhǔn)的隔離式電源供應(yīng)器，音訊訊號(hào)的非線性特性會(huì)造成不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這篇用電訣竅涵蓋了設(shè)計(jì)用於音訊應(yīng)用的半橋式電感器 - 電感器 - 轉(zhuǎn)換器 (LLC) 串聯(lián)共振轉(zhuǎn)換器 (HB LLC-SRC) 的必備知識(shí)。
音訊功率
在廣泛的電氣工程領(lǐng)域中，您會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同的行業(yè)，甚至是不同的公司，可能會(huì)使用不同的語(yǔ)言來(lái)描述同一主題。為使設(shè)計(jì)成功，電源與音訊工程師必須對(duì)彼此有一定的了解。
首先需要定義的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是峰值功率和連續(xù)功率。峰值功率是最大瞬時(shí)音訊功率。其將決定電源實(shí)際輸出的設(shè)計(jì)功率。連續(xù)功率是一段時(shí)間內(nèi)的平均音訊功率。在電源供應(yīng)器設(shè)計(jì)的背景下，連續(xù)功率是系統(tǒng)在不超過(guò)元件溫度或平均電流額定值的情況下可供應(yīng)的指定輸出功率。圖 1 提供峰值和連續(xù)音訊位準(zhǔn)的範(fàn)例。這些值與波頂因數(shù)相關(guān)，而波頂因數(shù)則是波形峰值與均方根 (RMS) 值的比值的度量。
圖 1 此圖顯示連續(xù)和峰值功率音訊位準(zhǔn)。此項(xiàng)也可以使用 方程式 1 表示 (以分貝為單位)：
RMS 是音訊功率的誤稱，因?yàn)閲?yán)格說(shuō)來(lái)，該值並不是功率波形的計(jì)算 RMS 值。我們可以再寫(xiě)一篇文章來(lái)介紹關(guān)於如何指定音訊放大器的複雜性。請(qǐng)理解，額定功率放大器功率位準(zhǔn)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)並不一定能闡明峰值功率和連續(xù)功率方面的電源需求。
讓我們以 400-W 音訊放大器的 LLC 串聯(lián)共振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC) 設(shè)計(jì)為例。即使沒(méi)有音訊系統(tǒng)的相關(guān)先驗(yàn)知識(shí)，您也可以設(shè)計(jì)出出色的 400-W 電源供應(yīng)器。但是，當(dāng)需要為放大器供電時(shí)，電源供應(yīng)器可能會(huì)發(fā)生故障，或出現(xiàn)較差的音訊品質(zhì)。LLC 轉(zhuǎn)換器增益曲線通常會(huì)以最大負(fù)載為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，並在最小線路條件下於串聯(lián)共振頻率附近運(yùn)作。這種方法通常會(huì)產(chǎn)生完美的 400-W LLC-SRC，但在實(shí)際音訊系統(tǒng)內(nèi)部，峰值功率實(shí)際上會(huì)大於安培的 400-W 額定值。在開(kāi)始電源供應(yīng)設(shè)計(jì)前，至少應(yīng)指定連續(xù)功率和峰值功率。
在 400-W 放大器範(fàn)例中，適合播放壓縮音樂(lè)的消費(fèi)性產(chǎn)品的適當(dāng)功率位準(zhǔn)可能是 200 W 的連續(xù)功率和 800 W 的峰值功率，持續(xù)約 15 毫秒。這表示波頂因數(shù)為 12 dB，這是處理音樂(lè)的典型值。未經(jīng)處理的音訊約為 18-20 dB，而電影音訊則可能大於 20 dB。最終，峰值功率與連續(xù)功率的比例取決於具體的應(yīng)用，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期就必須明確定義這些項(xiàng)目。針對(duì)不同負(fù)載等級(jí)的持續(xù)時(shí)間要求也有助於最佳化設(shè)計(jì)。別忘了，您還需考量音訊放大器的效率，因?yàn)榉糯笃鲿?huì)有損耗，導(dǎo)致電源供應(yīng)器的負(fù)載增加。
LLC-SRC 設(shè)計(jì)
規(guī)格確定後，您可以繼續(xù)進(jìn)行電源供應(yīng)器設(shè)計(jì)。視區(qū)域和應(yīng)用的電源品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)而定，您可能需要含有功率因數(shù)校正 (PFC) 的供應(yīng)器來(lái)進(jìn)行此功率位準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。PFC 前端將提供穩(wěn)壓的 400VDC 匯流排，可作為 LLC-SRC 的輸入使用。
與多數(shù)共振轉(zhuǎn)換器一樣，設(shè)計(jì) LLC-SRC 的第一步是選擇共振槽元件。如此將設(shè)定共振頻率並可形塑增益曲線。在此步驟中，請(qǐng)確定輸出電壓可以達(dá)到峰值功率位準(zhǔn)。若共振槽無(wú)法達(dá)到所需的增益，輸出電壓將會(huì)在音訊峰值下降，進(jìn)而降低音訊品質(zhì)或關(guān)閉放大器。峰值功率持續(xù)時(shí)間需求通常過(guò)長(zhǎng)，輸出電容器無(wú)法容納輸出電壓，因此電源供應(yīng)器必須能實(shí)際提供整個(gè)峰值負(fù)載。
在峰值增益上增加一些額外的空間。變壓器結(jié)構(gòu)的實(shí)體限制並不一定會(huì)影響到確切的匝數(shù)或電感。若為需達(dá)到高峰值功率的音訊設(shè)計(jì)，使用離散共振電感器可確保更精確的共振與磁化電感較為有利。
在峰值功率下，請(qǐng)務(wù)必選擇額定處理峰值電流的元件。在設(shè)計(jì)磁性元件時(shí)，請(qǐng)確定其不會(huì)飽和。在連續(xù)功率下，則請(qǐng)務(wù)必根據(jù)連續(xù)熱性能選擇元件及封裝。設(shè)計(jì)人員可縮減部分封裝的尺寸，並使用 PCB 進(jìn)行熱管理，而非使用散熱器。
如同任何 LLC-SRC，形塑增益曲線是一種迭代程序。嘗試達(dá)到特定的工作頻率、共振電流和電壓並在峰值和連續(xù)功率位準(zhǔn)之間平衡設(shè)計(jì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在計(jì)算過(guò)程中，您需要調(diào)整磁化電感、共振電感、匝數(shù)比和共振電容。100 kHz 是以矽為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)的常見(jiàn)共振頻率目標(biāo)。針對(duì)音訊應(yīng)用，合理的作法是將連續(xù)功率操作點(diǎn)的目標(biāo)設(shè)為 100 kHz。圖 2 顯示了上例形塑的增益曲線。操作頻率範(fàn)圍為 83 – 139 kHz。
圖 2 此增益曲線針對(duì) LLC-SRC 設(shè)計(jì)進(jìn)行形塑。突衝模式
現(xiàn)代 LLC-SRC 設(shè)計(jì)的一個(gè)重要層面是實(shí)現(xiàn)低負(fù)載效率的脈衝模式操作。突衝模式也可用於符合業(yè)界待機(jī)電源法規(guī)。當(dāng)突衝封包頻率處?kù)犊陕勲s訊範(fàn)圍時(shí)，可聞雜訊就會(huì)是一個(gè)問(wèn)題，但有些 LLC 共振控制器 (如 UCC256404)使用突衝模式控制法則來(lái)防止突衝頻率產(chǎn)生的雜訊。以下提供三種方法，以及選擇這些方法的可能原因：
- 啟用突衝模式：利用突衝模式在不關(guān)閉主輸出的情況下降低待機(jī)功耗。電源將立即提供給放大器，因此不會(huì)因電源供應(yīng)器啟動(dòng)而造成延遲。
- 停用突衝模式：在待機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)換器需使用標(biāo)準(zhǔn)切換操作來(lái)調(diào)節(jié)輸出。這會(huì)降低輕負(fù)載效率，但同時(shí)也可降低複雜性並進(jìn)一步消除任何可聞雜訊問(wèn)題，例如二次側(cè)整流器寄生效應(yīng)對(duì)增益曲線的影響。圖 2 顯示增益曲線如何在較高頻率下實(shí)際開(kāi)始上升。如果無(wú)法達(dá)到最小增益，電源供應(yīng)器將會(huì)失調(diào)。
- 外部控制器停用：當(dāng)音訊放大器未執(zhí)行時(shí)，請(qǐng)使用外部停用電路關(guān)閉控制器。相較於突衝模式，這進(jìn)一步降低了待機(jī)功耗，但由於系統(tǒng)現(xiàn)在需要輔助電源供應(yīng)器，因此增加了成本。當(dāng)放大器準(zhǔn)備好輸出音訊時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)延遲。
圖 3 在脈衝模式停用時(shí)，增益曲線將在較高頻率下開(kāi)始上升。LLC-SRC 是適合 100 至 500 W 連續(xù)功率範(fàn)圍的高性能拓?fù)?，?duì)於需要高效率與最低電磁干擾 (EMI) 的 AC-DC 系統(tǒng)而言是絕佳的拓?fù)洹９舱褶D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)十分具有挑戰(zhàn)性，即使在應(yīng)用複雜的音訊系統(tǒng)之前也是如此。第一步是讓功率與音訊工程師相互了解放大器所需的峰值和連續(xù)功率位準(zhǔn)。將上述策略作為音訊應(yīng)用的 LLC-SRC 設(shè)計(jì)成功的起點(diǎn)。
來(lái)源：
- D 類音訊放大器電源解決方案，德州儀器 (TI)
- 如何選擇 D 類音訊放大器，德州儀器 (TI)
- Pro Audio Reference，Audio Engineering Society