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
课程介绍 共计6课时,34分7秒

2018 PSDS 研讨会系列 - (4) D 类音频功放的电源解决方案

电源 2018 PSDS 研讨会系列 D类音频功放

今天,最流行的中高功率音频放大器由于高效率和出色的线性度而采用D类工作方案。 与传统模拟放大器相比,D类采用高频脉宽调制,类似于开关电源。 即使D类放大器在电源电压中包含负反馈,现实情况是电源的输出阻抗对音频质量也有影响。 本主题描述如何根据输出阻抗要求以及平均和峰值功率需求等典型要求,为高功率D类放大器正确设计电源。 介绍了两种不同的内置和测试功率参考设计。 首先是适用于家庭影院,监视器和条形音箱应用的通用AC / DC输入。 第二种解决方案涵盖额定功率达几百瓦的高功率汽车应用。
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