4.6 D 类功放的电源解决方案第四部分- 车载音频电源

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第四部分我们介绍 目前车载音频电源解决方案 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 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 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 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 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 PFCAC/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
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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