4.6 D类功放的电源解决方案第四部分 - 车载音频电源

第四部分我们介绍

目前车载音频电源的解决方案

最大输出功率是车载 Hi-Fi 中

最受重视的一个参数

因为这个参数经常被单独拿出来

作为区分功放的指标

这不仅仅是在零售市场

甚至在汽车制造商

也经常在它们的音频规格中特别强调

虽然对于脱离了 THD 谈峰值功率

或者有效功率是否有意义还存在争议

这里我们以一个客户要求的

700 瓦的音频功放电源为例

首先我们来看看这个参考设计的规格

该系统中包含一个电源

和两颗 TPA3251 D 类功放

第一颗 TPA3251 输出配置为

桥接的方式为左右声道的 4 欧姆喇叭

提供全音频范围的驱动

第二颗 TPA3251 配置在并联桥接的方式

用来驱动两欧姆的重低音喇叭

当我们看功放规格的时候

理解有效功率

峰值功率以及 THD 的关系非常重要

之前我们提到过 0.1% 的 THD

是大多数人能接受的最低水平

对于这个功放以及这个负载的连接方式

我们可以实现在两个四欧姆喇叭上面

输出 120 瓦的有效功率

以及 240 瓦的峰值功率

并且保证 THD 小于 0.1%

在同样的 THD 下并联桥接的方式

也可以在一个两欧姆的低音喇叭上面

输出同样的有效功率和峰值功率

如果我们把 THD 的要求降为 10%

则有效功率和峰值功率可以增加 46%

所以确认功放在指定功率的时候

是否指定相应的 THD 非常重要

以这个参考设计为利

如果要求的 THD 小于 0.1%

最大峰值功率为 480 瓦

如果 THD 小于 10%

那么我们的最大峰值功率

可以达到 700 瓦

几乎差了 1.5 倍

在整个设计中

如果要求 THD 小于 0.1%

下面能够输出功率为 480 瓦

峰值功率为 960 瓦

假设 D 类功放的效率为 90%

电源部分的效率为 95%

那么在 36 伏的输入电压下

对应的输入平均电流和峰值电流

分别可以通过这两个式子算出来

是 3.9A 和 31.2A

由于这两个功放不太可能同时输出峰值功率

所以限流点只设置在 20A 就足够了

因为不需要隔离

本设计电源部分

采用两相交错并联同步 BOOST

控制器采用两颗 LM25122

同步升压控制器使其工作在主从模式

开关信号错相 180 度

来减少电容上的纹波

功放方面及输入音频信号

由低失真低噪音的运放

OPA1662A 进行预处理

驱动低音炮的功放

在输入端还额外加了一个低通滤波器

BOOST 变换器的元器件选择

有几个考虑因素

但最重要的是考虑峰值电流的需求

这也是我们为什么选择

两相交错并联而不使用单相的原因

在这个设计中

平均输出电流 3.9A

而峰值电流高达 20A

所以下管采用两个管子并联

来提高峰值电流能力

同时有利于更好的散热

由于上管的电流相对较小

所以只需要一个管子

在这个设计中

电感采用扁平线和铁氧体

来提供比较好的效率

以及较高的饱和电流

我们知道 BOOST 变换器的输出是脉冲电流

只有在关断时间内能量才能传递到副边

而且在后级的 D 类功放

类似一个同步 BUCK

情况刚好相反

其输入电流不连续

输出电流连续

电流的应力主要存在在输入

输出的电流应力较小

所以 BOOST 的输出电容

不仅要承受自身的交流电流

也要承受来自功放的交流电流

为了减轻电容的压力

以及减少输出电流纹波

我们在输出加了一个 100nH 的电感

和一个 1000uF 的电容组成的低通滤波器

它能够减小纹波电流

为后级的功放电源提供一个比较干净的电压

通常该后置滤波器的转折频率

设置在 1/10 的开关频率

能够带来 40dB 的纹波抑制能力

同时也要注意这个转折频率必须尽可能高

以避免对变换器带宽的影响

对于高品质的后置滤波器

可能需要在电感上

并联一个阻尼电阻来避免谐振

我们所采用的电感 DCR 只有几毫欧

而仿真结果上看并没有谐振

所以实际上这个阻尼电阻也并不需要

下面是一些测试结果

左图展示了 BOOST 的变换器

在 36 伏输出电压和不同的负载下的效率

在 13.8 伏输入电压下

可以高达 95.5% 的效率

并且在很宽范围内效率都是高于 95% 的

在 9V 输入

由于是输入电流比较大

导致了导通损耗也比较大

所以造成了三个点的下跌

右边是 36 伏输出

电流为十安的时候

在不同输入电压下测试的系统波特图

考虑到电解电容的 ESR 和容量

会随着温度和寿命的剧烈变化

我们所设计的增益裕量

和幅值裕量都比较大

其中 13.8V 输入的时候

带宽为 830Hz

相位裕量 81 度

幅值裕量 21dB

系统的 THD 在输入 12 伏

以及整个音频范围内

从 20Hz 到 20kHz 都是远远低于 0.1% 的

左边的图展示了在四欧姆负载下

输出有效功率分别为

25 瓦 50 瓦 70瓦下

THD 的测试结果

该结果完全符合我们 D 类功放

TPA3251 对电源的要求

证明我们的电源对音频质量

不会有任何副作用

这里展示了我们的 AC/DC 电源

参考设计 PMP10215

以及我们 350 瓦 D 类功放 TPA3251 的评估板

还有右边的是车载音频电源

参考设计 PMP11769

这些都是可以TI 的网站上找到的

综上所述

我们介绍了音频功放的基础知识

包括 A 类和 B 类

D 类以及 G 类功放的基本原理

喇叭的阻抗以及峰值因数的概念

接着我们分析了电源里面参数

对音频质量的影响

然后我们介绍了两个参考设计

并详细描述了它们的设计过程

一个是带 PFC 的 AC/DC 电源

另一个是车载的音频解决方案

从测试结果看

它们的性能都不亚于实验室的标准电源

这就是我们今天所有的内容

谢谢大家

第四部分我们介绍

目前车载音频电源的解决方案

最大输出功率是车载 Hi-Fi 中

最受重视的一个参数

因为这个参数经常被单独拿出来

作为区分功放的指标

这不仅仅是在零售市场

甚至在汽车制造商

也经常在它们的音频规格中特别强调

虽然对于脱离了 THD 谈峰值功率

或者有效功率是否有意义还存在争议

这里我们以一个客户要求的

700 瓦的音频功放电源为例

首先我们来看看这个参考设计的规格

该系统中包含一个电源

和两颗 TPA3251 D 类功放

第一颗 TPA3251 输出配置为

桥接的方式为左右声道的 4 欧姆喇叭

提供全音频范围的驱动

第二颗 TPA3251 配置在并联桥接的方式

用来驱动两欧姆的重低音喇叭

当我们看功放规格的时候

理解有效功率

峰值功率以及 THD 的关系非常重要

之前我们提到过 0.1% 的 THD

是大多数人能接受的最低水平

对于这个功放以及这个负载的连接方式

我们可以实现在两个四欧姆喇叭上面

输出 120 瓦的有效功率

以及 240 瓦的峰值功率

并且保证 THD 小于 0.1%

在同样的 THD 下并联桥接的方式

也可以在一个两欧姆的低音喇叭上面

输出同样的有效功率和峰值功率

如果我们把 THD 的要求降为 10%

则有效功率和峰值功率可以增加 46%

所以确认功放在指定功率的时候

是否指定相应的 THD 非常重要

以这个参考设计为利

如果要求的 THD 小于 0.1%

最大峰值功率为 480 瓦

如果 THD 小于 10%

那么我们的最大峰值功率

可以达到 700 瓦

几乎差了 1.5 倍

在整个设计中

如果要求 THD 小于 0.1%

下面能够输出功率为 480 瓦

峰值功率为 960 瓦

假设 D 类功放的效率为 90%

电源部分的效率为 95%

那么在 36 伏的输入电压下

对应的输入平均电流和峰值电流

分别可以通过这两个式子算出来

是 3.9A 和 31.2A

由于这两个功放不太可能同时输出峰值功率

所以限流点只设置在 20A 就足够了

因为不需要隔离

本设计电源部分

采用两相交错并联同步 BOOST

控制器采用两颗 LM25122

同步升压控制器使其工作在主从模式

开关信号错相 180 度

来减少电容上的纹波

功放方面及输入音频信号

由低失真低噪音的运放

OPA1662A 进行预处理

驱动低音炮的功放

在输入端还额外加了一个低通滤波器

BOOST 变换器的元器件选择

有几个考虑因素

但最重要的是考虑峰值电流的需求

这也是我们为什么选择

两相交错并联而不使用单相的原因

在这个设计中

平均输出电流 3.9A

而峰值电流高达 20A

所以下管采用两个管子并联

来提高峰值电流能力

同时有利于更好的散热

由于上管的电流相对较小

所以只需要一个管子

在这个设计中

电感采用扁平线和铁氧体

来提供比较好的效率

以及较高的饱和电流

我们知道 BOOST 变换器的输出是脉冲电流

只有在关断时间内能量才能传递到副边

而且在后级的 D 类功放

类似一个同步 BUCK

情况刚好相反

其输入电流不连续

输出电流连续

电流的应力主要存在在输入

输出的电流应力较小

所以 BOOST 的输出电容

不仅要承受自身的交流电流

也要承受来自功放的交流电流

为了减轻电容的压力

以及减少输出电流纹波

我们在输出加了一个 100nH 的电感

和一个 1000uF 的电容组成的低通滤波器

它能够减小纹波电流

为后级的功放电源提供一个比较干净的电压

通常该后置滤波器的转折频率

设置在 1/10 的开关频率

能够带来 40dB 的纹波抑制能力

同时也要注意这个转折频率必须尽可能高

以避免对变换器带宽的影响

对于高品质的后置滤波器

可能需要在电感上

并联一个阻尼电阻来避免谐振

我们所采用的电感 DCR 只有几毫欧

而仿真结果上看并没有谐振

所以实际上这个阻尼电阻也并不需要

下面是一些测试结果

左图展示了 BOOST 的变换器

在 36 伏输出电压和不同的负载下的效率

在 13.8 伏输入电压下

可以高达 95.5% 的效率

并且在很宽范围内效率都是高于 95% 的

在 9V 输入

由于是输入电流比较大

导致了导通损耗也比较大

所以造成了三个点的下跌

右边是 36 伏输出

电流为十安的时候

在不同输入电压下测试的系统波特图

考虑到电解电容的 ESR 和容量

会随着温度和寿命的剧烈变化

我们所设计的增益裕量

和幅值裕量都比较大

其中 13.8V 输入的时候

带宽为 830Hz

相位裕量 81 度

幅值裕量 21dB

系统的 THD 在输入 12 伏

以及整个音频范围内

从 20Hz 到 20kHz 都是远远低于 0.1% 的

左边的图展示了在四欧姆负载下

输出有效功率分别为

25 瓦 50 瓦 70瓦下

THD 的测试结果

该结果完全符合我们 D 类功放

TPA3251 对电源的要求

证明我们的电源对音频质量

不会有任何副作用

这里展示了我们的 AC/DC 电源

参考设计 PMP10215

以及我们 350 瓦 D 类功放 TPA3251 的评估板

还有右边的是车载音频电源

参考设计 PMP11769

这些都是可以TI 的网站上找到的

综上所述

我们介绍了音频功放的基础知识

包括 A 类和 B 类

D 类以及 G 类功放的基本原理

喇叭的阻抗以及峰值因数的概念

接着我们分析了电源里面参数

对音频质量的影响

然后我们介绍了两个参考设计

并详细描述了它们的设计过程

一个是带 PFC 的 AC/DC 电源

另一个是车载的音频解决方案

从测试结果看

它们的性能都不亚于实验室的标准电源

这就是我们今天所有的内容

谢谢大家