交流/直流和隔离式直流/直流开关稳压器

4.3 D类功放的电源解决方案第二部分 - 电源对音频质量的影响

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接下来我们进入第二部分主要介绍电源对音频性能的影响音频功放的性能可以通过一些参数来考量对于 D 类功放通常我们有以下几个指标来考量它的性能动态失真频率响应电源输出阻抗以及电源抑制比简称 PSRR 动态失真通常是跟环路补偿有关的这个图所示是一个欠阻尼的动态响应失真理想情况下它应该是一个方波对于 D 类功放的带宽最起码要保证大于音频信号的最高频率电源抑制比是跟电源输出阻抗息息相关的它反映了功放对电源干扰的抑制能力前面的这些参数都非常重要但是最重要的也是最直接的参数可能还是总谐波失真度 THD THD 定义为除基波之外的各次谐波的总和与基波的比值对于一个高质量的音频功放 THD 可能需要小于 0.025% 但是对于大多数人所能接受的标准通常小于 0.1% 就可以了接下来我们来看看电源输出阻抗是如何影响功放的性能的在这里我们以功放的 THD 作为衡量标准首先我们通过测试一个工作在闭环的 D 类功放来说明这个问题通过在功放的 VDD 上叠加一个250Hz 的干扰信号我们来看看电源上面的纹波是如何影响音频功放的质量的如图所示其中 X(s) 是 1kHz 的音频输入信号 Y(s) 是功放的输出 e(s) 是我们注入的 250Hz 的干扰信号测试结果如右下角这个图所示其中 X(s) 的基波频率我们以 1 标注然后 2 3 是调制过程中所产生的由于干扰注入的谐波 4 和 7是由于电源阻抗产生的谐波 6 是音频信号的二次谐波这些谐波的存在都使 THD 变得更差在桥式连接的配置下电源上的纹波频率是音频信号的两倍从左上角的波形可以看出来为了简化分析我们把输出负载当成一个电阻负载电流与电压同相所以它们都是正弦波而功率是正弦的平方如绿色的波形所示也就是说当电源的输出阻抗不是为零的时候就会在上面产生一定的压降这个压降的幅值与电源的阻抗成正比而频率就是两倍的音频信号的频率这里我们在 D 类功放 TPA3251 EVM 板上做了一个简单的实验来看看不同的电源阻抗产生的纹波以及这些纹波对音频功放的 THD 的影响我们找了一个标准的高精度电源来给评估板供电在第一组实验中电源与评估板之间串联了一个零欧姆电阻第二组实验电源和评估板之间串联两欧姆电阻模拟电源的输出阻抗实验结果如下明显可以看到串联零欧姆电阻时电源的纹波非常小然后 THD 也比较好而串联了两欧姆电阻的情况纹波急剧上升 THD 也明显增加了很多但是最大值依然不超过 0.016% 另一个导致音频功放质量下降的问题是限幅但 D 类功放的占空比比较大时音频信号可能会碰到电源轨从而导致限幅如下图所示这里面红线是加上纹波的电源电压绿色和蓝色的波形是音频信号当音频信号高于电源电压限幅就产生了由于限幅把正弦波变频就会产生一些高次谐波由于喇叭的机械特性和发热限制长时间的限幅还有可能会损害喇叭我们之前提到过对 G 类功放中在音量比较小的时候也就是轻载的时候为了减少开关损耗会降低电源电压出现限幅的时候必须立刻把电源电压提高所以应该采取一些措施来监控限幅从而避免这些问题紧接着我们会讨论一些电源输出阻抗带来的问题下面两个图是一个离线电源的例子左边这个图中有三条曲线黄色是功率级的开环增益绿色是开环下的电源输出阻抗而蓝色是电源的闭环输出阻抗根据左上角这个公式可以看到闭环输出阻抗等于开环输出阻抗除以一加上开环增益所以闭环输出阻抗会小于开环输出阻抗尤其在开环增益比较高的情况下并且我们发现在穿越频率点也就是红线标注的这个地方闭环输出阻抗等于开环输出阻抗并且接近输出电容的阻抗这个结论对于电压模式和电流模式的控制器都是有效的左边这个图我们对比了两种控制模式的闭环输出阻抗蓝色是电流模式的闭环输出阻抗然后黄色是电压模式的输出阻抗在频率小于 1kHz 的情况下可以看到这些阻抗都是比较低的所以在这一段 THD 可能会比较好下面我们来看看如何根据最小的输出电压要求来选择合适的电容满足动态响应的要求首先我们需要计算峰值电流负载跳变下输出电压下跌和过冲相关的公式在下面这个表格里面公式中的 ESR 是指输出电容的等效串联电阻 fco 是穿越频律其它的变量如右边这个波形图所标注的一样电源最大输出电压主要受限于最大的功放的电源电压 PVDD 我们这里最大电压是 38 伏而电源的电压最低值要保证不会出现限幅在实际运行中大负载跳变的时候电源输出电压要保证不能超过这两个值以避免失效或者是限幅