在电视机音频放大器应用设计中实现更轻薄的考虑

在10%的THD时，输出功率为10W，这是系统规定的最大输出功率。

如图3中的图形所示，D类放大器提供的效率与输出功率比要远高于AB类放大器。在整个图中，D类放大器只有在两个点上比AB类放大器差：

零输入：两种放大器消耗的都只有静态功率，假定两者相同。无限过载：输出已经成为方波，始终都是饱和的，对于AB类也是如此。在这一点上，两种放大器具有相同的效率、功耗、输出功率(15.56 W)和失真(43.5%)。

由于效率对于电池供电的设备来说非常重要，故大部分的电池供电设备的设计师都对放大器的功耗非常关注。图4给出了两种放大器(注：输入用的是正弦波，增益可变)的功耗曲线。

图4：功耗与输出功率的关系。

在10W额定功率上，AB类和D类放大器的功耗分别是2.53W和0.994W。在输入较低段，D类放大器的功耗较低，而AB类放大器的功耗却增加。这究竟与现实应用中有什么关系？什么时候放大器被用于音乐或语音放大？关于这一点，可以利用噪声信号进行很好的模拟，这种信号的幅度分布与音乐类似，并获得了一致的结果。

为了将结果与实际的收听情形和扬声器的功率处理能力进行比较，我们必须将x轴变量从功率改变成峰值因数。峰值因数反映了系统的平均输出功率和峰值功率之间的关系，这里峰值功率是15.56W。

理想的噪声源的峰值因数为无限大：其幅度分布符合具有明确差异但没有峰值电压限制的“正态分布”。当我们把信号加入到输出信号被电源轨限制的仿真放大器时，该分布将会改变。平均(RMS)电压将随着系统的增益的改变而变化。增加该RMS电压，则峰值因数将降低，因为峰值基准保持不变。

在峰值因数较高时，削波现象很少产生，但当增益增加时，它却经常发生。图5显示了3dB峰值因数的噪声，此时输出信号被严重削波。

图5：具有3dB噪声的放大器输出电压。

为了模拟，我们不关注噪声的“颜色”，但在实际的测试中应采用IEC268-5信号，因为某些放大器在高频时效率较低。

当我们改变增益时，可以计算所有可能的峰值因数值(见图5)对应的功耗。

在音乐功率非常集中的15dB到12dB之间，被严重削波，这将迫使绝大多数用户降低音量。9dB是扬声器制造商认为尚可接受的最差峰值因数，0dB时的输出则成了全方波。

在9dB处，将是进行热评估的最佳点， AB类放大器的功耗为3.05W，D类为0.388W。两者的比值为3.05/0.388 = 7.86，而在进行功率测试时，该比值仅为2.53/0.994 = 2.55。这种模拟有一个重要的意义：对于AB类放大器，热设计方面的挑战在于如何通过噪声测试。一旦放大器设计能够每通道吸收3.05W，则在每通道2.53W功耗的输出功率上不会有太多的热设计问题。额定输出功率能够永久保证。

由于在两种测试中所得到的功耗相类似，故在实际应用中采用正弦波进行输出功率和热测试。当然，虽然采用正弦波信号的测试比较容易建立，不过所产生的功耗将比建议的噪声测试要低一些。

图6

换言之，采用正弦波进行热评估时，会导致AB类放大器的功率处理能力比相同瓦数的扬声器要低。而对于D类放大器，该情况将相反。噪声测试产生0.338W的功耗，而在额定输出功率上实际功耗是1W，相差2.56倍之多。所以，采用什么信号进行热评估，将会导致非常大的差别。

如果在D类放大器热评估中使用正弦波，将导致系统过大，从而增加成本，因为：IC供应商需要较大的芯片面积来减小RDSON，这是影响效率的主要因素之一；要求D类放大器的封装较大，以便获得结与PCB或散热片之间的较小热阻。

制造商需要提供较小的散热片或多层PCB板，以实现较小的Rthja，即结与环境温度之间的热阻。

如果使用PCB自身作为散热片，需要仔细地布线，应采用大面积的连续敷铜面。由于铜皮要转移热量，故层间应该用多个良好的过孔连接。

老化测试

有时候热评估中需要进行更为严格的测试，即老化(Burn-In)测试。该测试中，将音频处理器能够提供的最大电压加到功率放大器的输入端，使输出信号变成一个像方波似的信号。在本文的例子中，放大器每个通道的测试功耗高达1.41W，并且与AB类放大器没有太大的不同。要通过这样的测试，D类放大器要求比噪声测试中高3.6倍的冷却效果。

本文小结

电视机从CRT到平板的转换要求采用较小的具有较低热功耗的放大器，因此有了D类放大器。即便是采用传统的正弦波测试，在新设计中也能将热减少2.5倍。

工程师必须解决新的挑战，即解决EMI，设计输出滤波器，并采用具有冷却外垫的小型放大器封装。为了揭示所有潜在的节省成本的方法，包括采用D类放大器，现在有必要重新考虑测试方法。下面是建议采用的测试方法：采用中断突发模式检测输出功率，加满功率的正弦波，时间长度刚好能获得THD值；利用噪声信号或实际应用的最坏情况(语音或音乐)来检测热性能。后者需要配以增益设置，以限制放大器的削波，使得即便是在满音量时也能得到可接受的声音效果。


Robert Polleros

技术专家组高级成员

Robert_polleros@maximhq.com

美信公司