关于D类功放降低EMI与散热的技术及应用

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  <p class="2b">前言</p><p>便携式电子消费产品的市场不断壮大，照目前的发展趋势看，电子产品必须配备更多功能才可满足消费者的要求。由于音频放大器的技术不断取得新的发展，使便携式电子产品的体积可以越趋小巧纤薄，音色更加清脆亮丽，电池寿命也更长。只要采用D(C1assD)音频解决方案，便可为产品添加更多功能，使产品更独特。这是取决于D类放大器的技术特征。</p><p>D类放大技术采用了脉宽调制(PWM)技术，可以将功率效率从AB类放大器的50％提高到90％以上。这样就可以减少发热，可采用小型(或不使用)散热器，并降低电源输出的功事要求。在更小的空间内支持更多声道和更高功率，所以业界慢慢开始向D类放大技术过渡。然而，与传统的A类和B类放大器相比，这类放大器在成本、性能和电磁干扰(EMI)等方面的存在着固有的系统问题。为此今后D类放大器将朝着解决这些问题的方向发展。其中很重要的是降低辐射EMI与降低PCB散热及电源抑制反馈等几大问题。</p><p class="2b">1、关于降低D类功放辐射EMI技术与应用芯片</p><p class="2b">EMI的引起</p><p>D类放大器使用快速开关装置来提高功率效率，这使得进行低EMI系统设计变得越来越严峻。这是因为D类放大器的输出级会在电源轨之间快速地开和关，从而达到此类器件所特有的高效率。对放置在放大器附近的其他设备和电路来说，能会干扰AM／FM收音机等设备，即这种快速上升和跌落时间所产生的EMI是非常有害的。</p><p>降低D类功放EMI新技术有多种方法，值此介绍2种方法。</p><p class="2b">1&#46;1扩谱调制技术(SSM)新方案</p><p>为了从源头上减少EMI，大多数新型D类放大器都使用了新型的调制技术，以保证音频质量和效率。图1是为平板显示器提供成本更低的D类功放。它是高效、低EMI的D类功放。其EMI滤波方面，调制技术(SSM)新方案(见图1b)可为每通道节省1&#46;2元，也无需昂贵的肖特基二极管。</p><p><img height="297" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-1ab&#46;gif" width="562" border="1" /></p><p><img height="310" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-1c&#46;gif" width="333" border="1" /></p><p>图1(a)为原技术方案降低D类放大器EMI示意图， 但需要用昂贵的电感。而图1(b)为新型的调制技术方案降低了D类放大器EMI示意图，不必再用大电感作输出滤波，而只用廉价的磁珠取代。图1(c)方为新型扩谱调制技术频率与幅度曲线示意图，从图1(c)可得知调制技术(SSM)显菩著降低了D类功放的EMI，相比固定调制(见图1a)原方案降低了多达12dB，使EMI受到限制。</p><p class="2b">1&#46;11图1(a)(b)(c)示意图与扩谱调制技术的由来</p><p>降低D类功放EMI往往采用折中方法以满足RF辐射标准。首先是要了解产品应必须满足的辐射标准，以及在满足标准的前提下并希望留出的裕量。所用的D类放大器的开关频率是300kHz-30MHz或以上的情况,即超出300kHz这个频段范围的辐射也应经常被检测,这是因为在100倍基本开关频率的声频段，都会出现难以消除的EMI辐射。扬声器的引线实际上是一个有效的RF辐射天线。引线越长，会出现EMI问题的频率就越低。如果在扬声器前使用了LC滤波器，截止频率为20kHz，就必须检查电感在整个EMI辐射频率范围内是否能够正常工作。</p><p>如果在底座外壳内有足够的空间和充足的PCB板面积，在设计PCB板原型时就可以有多个滤波器设计方案，这样就可以在产品进行EMC测试时尝试不同的方案，以达到所需的性能。一些放大器提供商发布了在给定的电缆长度和滤波器元件的条件下，评估套件的RF辐射性能测试结果，这样就大大方便了设计者着手进行设计。为了从源头上减少EMI，大多数新型D类放大器都使用了新型的调制技术，以保证音频质量和效率。这就是图1(a)(b)(c) 示意图的由来。值此再介绍几种实用新型的调制技术与低EMI的D类功放芯片。</p><p class="2b">1&#46;12用扩谱调制技术(SSM)技术的低EMI D类功放芯片</p><p class="2b">超低电磁干扰、无需滤波器的2&#46;65W单声道D类(CIassD)音频放大器LM4675</p><p>技术特征：采用扩展频谱结构有助于减少电磁干扰；无需为电感负载加设输出滤波器；超快的启动时间17μs(典型值)；停机控制；输出短路保护；开关／切换噪音抑制电路；有microSMD-9及LLP-8两种封装可供选择。主要技术规格为：效率(3&#46;6V供电电压，400mW功率输入8Ω负载) 89%典型值；效率(5V供电电压，以 1W功率输入8Ω负载) 89％／典型值)；输出功率(5V供电电压，总谐波失真及噪音不超过10％)，当负载电阻=4Ω时其2&#46;7W(典型值)， 当负载电阻=8Ω时其1&#46;6W(典型值)；总谐波失真及噪音(3&#46;6V供电电压，1 kHz，100mW输出功率，负载为8Ω)0&#46;02％／典型值；静态电流(3&#46;6V供电电压)2&#46;2mA(典型值)；停机电流0&#46;01 μA(典型值)；操作电压范围2&#46;4V至5&#46;5V；电源抑制比(PSRR)(噪音为217Hz)82dB。图2(a)为LM4675值结构组成示意图。</p><p><img height="297" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-2a&#46;gif" width="397" border="1" /></p><p>相关应用：可在移动电话、个人数字助理、便携式多媒体设备及辅助扬声器等。</p><p class="2b">专为射频抑制而优化的Direc Drive耳机放大器</p><p>MAX9724可抑制来自GSM发射和其它射频源的噪声，内置子／靠近蜂窝手机工作时消除听觉噪声。图2(b)为MAX9724应用与其它功率放大器比较示意图。从中看出与其它功率放大器相比射频抑制能力改善达76dB。</p><p><img height="253" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-2b&#46;gif" width="681" border="1" /></p><p class="2b">超低EMI、2&#46;3W、D类扬声器放大器MAX9705</p><p class="2b"><img height="224" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-3a&#46;gif" width="411" border="1" /></p><p class="2b"><img height="257" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-3b&#46;gif" width="565" border="1" /></p><p>利用简单的主/从同步实现立体声和2&#46;1工作模式(见图3(a)所示)，可理想用于笔记本电脑设计。从图3(b)看出，若采用双通用放大器会产生听觉差频噪声，而同步工作消除了所有听觉差频噪声。体现了主/从同步实现立体声超低EMI优越性，MAX9705主要特征为：是固定频率或扩谱调制技术；超低EMI；75dB PSRR(217Hz)，有效抑制GSM噪声90％的效率；0&#46;02％低THD+N；利用简单的主-从同步实现立体声和2&#46;1工作模式；咔嗒、噼噗声抑制。</p><p class="2b">1&#46;2 D类数字功放采用实时数字反馈技术来抑制EMI</p><p>由于D类放大器使用快速开关装置来提高功率效率，从而必然产生EMI。若输出功输功率级采用具有双声道集成的H桥式功率级(适用于每个声道可达50-100W功率)，则可抑制EMI&#46;因H桥功率级设备采用可编程转换速率控制，其中输出开关速度可由用户进行调节。如果与数字放大器控制器芯片一起使用，组成D类数字功放，则H桥功率级转换速率控制电路将降低EMI(见图4所示)，而不会影响音频质量。这样，设计人员可以充分利用D类放大器在功率效率方面的大幅改进，及其节省成本的优势，同时实现良好的音频质量。</p><p><img height="352" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-4&#46;gif" width="567" border="1" /></p><p>高性能数字反馈是D类数字放大器解决方案的主要优点之一。图4反映高性能数字反馈可以纠正功率级非理想状态，降低功率晶体管切换速度，以便减少EMI而不降低音频性能方案的主要优点。该技术很适合对环境要求苛刻，对安全、诊断、工作温度范围和高可靠性等都有很多限制的设备，例汽车音频组件。</p><p class="2b">2、D类功放PCB的散热问题</p><p>D类功放PCB的散热问题主要是解决热量更低，重量更轻的问题。尽管D类类功放与AB类放大器相比具有更高的效率和更好的热性能。但实际使用D类放大器时仍然需要慎重考虑其散热性能，这是为什么呢？</p><p class="2b">2&#46;1 D类功放散热渠道</p><p class="2b"><img height="330" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-5ab&#46;gif" width="710" border="1" /></p><p>CB及其敷铜层是D类功放主要的散热渠道。因D类功放采用是在底部有裸露焊盘的TQFN或TQFP封装之中，而裸露的焊盘是IC散热的主要途径，这样PCB及其敷铜层、裸露的焊盘就成为D类放大器主要的散热渠道，如图5(a)所示。</p><p class="2b">2&#46;2降低D类功放PCB的散热</p><p>若将D类放大器贴装到常见的PCB时，最好采用以下方法：</p><p><span class="2b">将裸露焊盘焊接到大面积敷铜块</span>。尽可能在敷铜块与临近的具有等电势的D类放大器引脚以及其他元件之间多布一些覆铜。为此本图5(a)所示中，可以看到敷铜层与散热焊盘的右上方和右下方相连。敷铜走线应尽可能宽，因为这将影响到系统的整体散热性能。</p><p><span class="2b">与裸露焊盘相接的敷铜块应该用多个过孔连到PCB背面的其他敷铜块上</span>。该敷铜块应该在满足系统信号走线的要求下具有尽可能大的面积。</p><p><span class="2b">尽量加宽所有与器件的连线</span>，这将有益于改善系统的散热性能。虽然IC的引脚并不是主要的散热通道，但实际应用中仍然会有少量发热。图5(b)给出的PCB中，采用宽的连线将D类放大器的输出与图右侧的两个电感相连。在这种情况下，电感的铜芯绕线也可为D放大器提供额外的散热通道。虽然对整体热性能的改善不到10%，但这样的改善却会给系统带来两种截然不同的结果，即使系统具备较理想的散热或出现较严重的发热。</p><p><span class="2b">辅助散热</span>。当D类放大器在较高的环境温度下工作时，增加外部散热片可以改善PCB的热性能。该散热片的热阻必须尽可能小，以使散热性能最佳。采用底部的裸露焊盘后，PCB底部往往是热阻最低的散热通道。IC的顶部并不是器件的主要散热通道，因此在此安装散热片不划算。</p><p>如果能够遵循上述降低辐射EMI与降低PCB散热技术迸行并朝着解决这些问题的方向发展，则使用D类放大器可使音频系统设计更简单，如上述图1(b)框图所示扩谱调制结构，除了是低EMI，它又消除热点，省去了散热器，降低了总体成本。</p><p>为了迸一步理解D类功放降低EMI与散热的技术在使用中的重要影响，值此在以下，将对可适用于平板电视和显示器中的高效D类音频功放其特征及应用作分析。</p><p class="2b">3、 高效D类音频功率放大器特征与应用</p><p>高效D类音频功率放大器解决了高功率音频(如在平板显示器中)有关的两个主要问题：即发热与功耗。</p><p>低热量耗散免除了增设大型散热器的需要。低功耗有助于减小AC／DC电源的尺寸和成本。所有这些好处共同作用将有助于便携设备，尤其是使平板显示器尽可能地扁薄和轻量。其30W数字放大器功率级TAS5122与TPA3000D为具有代表性。</p><p class="2b">30W数字放大器功率级TAS5122</p><p>TAS5122是专为在未使用大型外部散热器的情况下向立体声扬声器输送30W驱动功率而设计的数字输入功率级。该器件采用了TI的PurePathDigital技术，并与数字音频PWM处理器和简单的无源解调滤波器配合使用，旨在实现高质量、高效率以及真正的数字音频放大。其主要特点为：可利用23V电源向60负载输送30W立体声功率(THD+N&lt;0．4％)；效率达90％以上；95dB最大动态范围；具有通报功能的全面短路、欠压和热保护。图6(a)为TAS5122方框示意图。</p><p><img height="491" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-6a&#46;gif" width="385" border="1" /></p><p>可在等离子体电视上应用。图6(b)所示为高效D类音频功率放大器TAS5122用于等离子体电视音频信号通路的示意图。</p><p><img height="217" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-6b&#46;gif" width="613" border="1" /></p><p>该等离子体电视音频信号通路由调频器输入信号至音频基带处理器，并输出模拟信号迸入四通道至PWM处理器,该处理器是四通道数字脉宽调制器，可提供高级性能和高系统集成度。它是专为采用4个立体声串行音频输入来实现无缝连接而设计的，因而可接受各种格式(如TAS5504芯片)。故TAS5504输出PWM信号迸入数字放大器功率级TAS5122放大推动30W扬声器工作。其电源管理器可用三端可调稳压器LM317。</p><p class="2b">20W单声道D类音频放大器TPA3001D1</p><p>TPA3001D1是模拟输入D类音频功率放大器，可向8Ω扬声器输送20W的单声道驱动功率。而无需采用散热器或大输出滤波器元件。其主要特点为可利用18V电源向8Ω负载输送20W单声道功率(10％THD+N)；无滤波器型调制，即无需滤波器(旨在提高效率或音频质量)，但采用低成本的铁氧体磁珠将减轻EMI，有更高的效率，更高的SNR 102dB；全面的短路和热保护；积分增益设置；低电源电流8mA(取自12V电源)。</p><p class="2b">12W立体声D类音频放大器TPA3004D2和TPA3002D2</p><p>TPA3004D2和TPA3002D2是模拟输入D类音频功率放大器，可在未使用散热器或大输出滤波器元件的情况下分别向8Ω扬声器输送12W立体声和9W立体声驱动功率。其集成DC音量控制和用于立体声头戴式耳机驱动的预输出使得这两款放大器具有极佳的通用性。</p><p>其主要特点为：TPA3004D2可利用15v电源向8Ω负载输送12W立体声功率(10％THD+N)；TPA3002D2可利用12V电源向8Ω负载输送9W立体声功率(10％THD+N)；无滤波器型调制即无需滤波器(旨在提高效率或音频质量)，但采用低成本的铁氧,即无需滤波器(旨在提高效率或音频质量)，但采用低成本的铁氧体磁珠将减轻EMI，有更高的效率92%(最大值)，更高的SNR 102dB；全面的短路和热保护；DC音量控制；用于立体声头戴式耳机放大器的电源和音频预输出；引脚与立体声TPA3000D放大器兼容。</p><p class="2b">TPA3001D1与TPA3004D2和TPA3002D2的应用</p><p class="2b"><img height="231" src="http://news&#46;apacsource&#46;com/doc/htm/image/wxh_0702-7&#46;gif" width="610" border="1" /></p><p>图7所示为高效D类音频功率放大器TPA3001D1与TPA3004D2和TPA3002D2用于LCD电视和多功能监视器的音频信号通路的示意图。</p><p>该LCD电视音频信号通路由调频器拾输入信号至音频基带处理器，并输出模拟信号迸入具有编解码器的数字音频处理器，该器件是系统级芯片，可取代传统的模拟均衡来执行数字参量均衡、动态范围压缩和等响线调整(如TAS3004芯片)。该器件还可提供高质量、软数字音量、低音和高音控制。经过优化的模拟信号经高效D类音频功率放大器推动3W到20W扬声器。其电源管理器可用三端可调稳压器LM317。</p>

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