平板屏幕搭配效果出色的音響
設計平板電視音頻放大器需同時解決幾大技術難題。工程設計過程中經常要進行多種因素的綜合折中，平板電視的設計就是其中一個非常好的例子。我們怎么才能在超薄的DLP®、等離子或液晶顯示器底板上設計20W立體聲音頻功率放大器，同時又不影響散熱性能呢？我們怎么才能支持空間有限的雙層電路板同時又滿足電磁干擾 (EMI) 測試要求呢？怎么才能為不同尺寸、不同功耗的屏幕設計出低成本的印制電路板 (PCB) 同時又滿足緊迫的設計期限呢？
幸運的是，工程師不必親自來解決上述技術難題。因為許多問題都已得到解決，或者已經找到變通的辦法。目前推出的新型器件可通過功能集成解決上述問題。解決上述技術問題并加速設計進程的方法之一就是采用德州儀器 (TI) 最新的 D 類音頻放大器產品系列 TPA3100D2 與 TPA3101D2。
TPA3100D2 與 TPA3101D2 是專為平板電視市場設計的立體聲D類放大器。這兩款放大器均具備引腳對引腳兼容性，分別提供了 20W 和10W的立體聲輸出功率。新集成的特性包括更好的咔嗒/噼噗聲抑制、自適應動態范圍控制以及降低 EMI 的增強型功能等。上述產品解決了前代 D 類器件所面臨的問題，從而加速了產品設計進程。
輸出功率
音頻放大器設計中首先要考慮的問題就是確定所需的輸出功率，這與屏幕大小直接相關，我們將在下面進行詳細說明。其他應考慮的因素包括揚聲器阻抗、總諧波失真 (THD)、放大器電壓和放大器效率等。所有這些因素都彼此關聯。舉例來說，揚聲器阻抗越高，放大器的效率和散熱性能就越好，但卻要求更高的放大器電壓，否則輸出功率較低時就會出問題。了解了上述因素之間的折中平衡，我們就應在各種因素間實現最佳平衡，這是良好設計的關鍵所在。
TPA3100D2 的效率非常高，輸出功率為 20Wx2（最大）時效率高達 92%。此時，功耗為 1.74W。我們將封裝底部的散熱焊盤直接焊接到 PCB 上即可實現輕松散熱。PCB 中的接地層作為散熱片，無需外部散熱片。上述特性使 TPA3100D2 適用于超過 32 英寸的等離子和液晶電視，這些電視要求更大的音頻輸出功率，因為最終用戶會坐在離揚聲器較遠的地方欣賞節目。
TPA3101D2 是一款低成本的 10Wx2 解決方案，適用于屏幕較小（23 英寸至 32寸）的液晶電視。TPA3101D2 與 TPA3100D2 實現了引腳對引腳兼容，并具備相同特性。功率為 10Wx2 時，效率高達 87%。
由于 TPA3100D2 與 TPA3101D2 的外引腳、封裝尺寸以及外部組件完全一樣，因此不同的解決方案可采用相同的電路板設計，從而節省設計與制造時間，并降低庫存成本。
散熱性能與最大輸出功率
設計電視音頻解決方案時要考慮的另一重要問題就是散熱性能。散熱對平板電視來說至關重要。熱量過高會使液晶屏幕的顏色失真，不過，要是在散熱方面過度設計，又會增加材料清單 (BOM) 成本。此外，當D類放大器變熱時，會降低效率，同時音頻輸出功率也會降低。因此，我們必須在設計早期階段就應考慮到散熱問題。
不同的散熱條件與要求會影響 TPA3100D2 和 TPA3101D2 的最大輸出功率。我們下面將說明相關因素，并給出確定器件最大輸出功率的系統方法。請注意，這里給出的信息僅從理論角度說明問題，我們仍需要了解實際散熱情況。
- 根據產品說明書中的圖 13 或 14（即下面的圖 1）獲得器件工作在 VCC 和 R L 情況下的效率。效率決定于多少電源功率能轉變為實際的音頻功率。效率越高就意味著能量消耗越小，輸出功率也就越大。VCC 越高而 RL 越低，就會造成效率降低。
圖 1 ：TPA3100D2 的效率與輸出功率關系曲線圖
- 根據產品說明書中的典型耗散率獲得降額因數——降額因數的倒數 RqJA 更多用于散熱分析。RqJA 是指器件消耗每瓦特時上升的溫度（單位oC）。RqJA 取決于許多因素，產品說明書中的降額因數根據標準的特性板(characterization board)模擬(JEDEC，4層)。適當的 PCB 布局和散熱片焊接對實現較低的 RqJA 至關重要。
- 測量環境溫度——環境溫度指系統正常工作（即電視加電情況下）過程中，器件周圍的空氣溫度，以 TA 表示。
- 獲得可允許的最大結點溫度 (TJmax) 或最大外殼溫度 (TCmax)——通過該項以及 RqJA 可計算出可允許的最大功耗PD。
- 就給定的環境溫度 TA，我們可用下列公式計算出器件最大輸出功率：
 (1)
 (2)
 (3)
Maximum Output Power per channel =  (4)
如果內部規范要求外殼溫度保持在給定溫度之下，那么我們假定 TCmax 略低于TJmax。根據經驗法則，我們不妨假定 TJmax 比 TCmax 高 10 oC。我們還可重新計算，以確保外殼溫度在規范限度之內。
當 VCC=18V；RL=8Ω；TA=55 oC；TJmax=150 oC 時，用以上方法，我們得出TPA3100D2 的最大輸出功率為每通道 20W。
如果我們提高環境溫度到 65 oC，那么最大輸出功率就會降至每通道 18W。
EMI 性能與 LC 濾波器
EMI 是指電磁輻射，是電子電路傳輸快速變化的信號（如 D 類音頻功率放大器輸出信號）時所發出的。EMI 應在 CISPR 22 或 FCC Part 15 Class B 等標準規定的限度內。TI 的 D 類放大器采用其享有專利的集成電路來控制 EMI。
有些 D 類放大器采用擴頻技術，據說可以降低 EMI。這種技術隨機改變 D 類放大器的基本開關頻率，并通過頻帶擴散 EMI。TI 的放大器不采用這種技術，因為這會提高 6 dB 的噪聲，也不能顯著降低 EMI 峰值。我們可以通過優化板面布局和最小化電流環路來更好地滿足 EMI 要求，從而使信噪比 (SNR) 提高 6 dB， 為聽眾提供更好的聽覺體驗。
TI 的 D 類放大器采用稱作“BD”調制的調制方案（如欲了解更多詳情，敬請訪問以下網址： www.ti.com/bd ）。如果 D 類放大器輸出端與揚聲器之間的距離足夠短，那么采用 BD 調制技術的 D 類放大器的 EMI 將達到最小化，且無需輸出濾波器。（電感揚聲器是普通的低通濾波器，抑制揚聲器的高次諧波音頻信號。）盡管 TPA3100D2 與 TPA3101D2 采用這種無需濾波器的 BD 調制方案，但輸出仍是快速變換的波形，其中包括高頻譜，如圖 2 所示。由于電磁輻射效率隨導體的長度加長而增加，因此如果使用較長揚聲器線圈的話，就需要濾波器，而且它還應盡可能靠近放大器。幾乎所有情況下我們都建議使用濾波器，即便就擴頻D 類放大器來說也一樣。
圖 2：輸出信號(未經過濾波)的頻譜
圖 3 所示的 LC 濾波器最為常用，該濾波器垂直跌落，理論上是無損的。建議采用二階巴特沃思 (Butterworth) 低通濾波器，因為該濾波器的通帶較平，而且能實現理想的相位響應。就單端輸出而言，我們可用式 (5) 和 (6) 來設計巴特沃思濾波器。
圖3 – 單端 LC 低通濾波器
 (5)
 (6)
這里假定  是角速度截止頻率。
將單端濾波器組件值轉化為橋接式負載濾波器的組件值，進行如下轉化以形成如圖 4 所示的濾波器：
添加去耦電容器 Cg 可進一步降低 EMI。經計算，Cg 等于 CBTL 值的1/10。
圖 4 ：橋接式負載 LC 低通濾波器的實現
采用如圖 4 所示的 LC 濾波器，TPA3100D2 與 TPA3101D2 EMI參考設計在采用 21 英寸揚聲器線圈情況下通過了 FCC Part 15 Class B 輻射認證要求。我們就四種定位進行準峰值測量，TPA3100D2 與 TPA3101D2 EMI 評估板 (EVM) 都以超出要求 5.6 dB 的水平通過了認證。圖 5 給出了水平后置情況下的峰值測量示意圖。
圖 5：輻射預掃描30 至1000 MHz
板面布局
進行 D 類放大器設計工作時，PCB 布局對散熱、可靠性、噪聲和失真等性能來說至關重要。TI 網站（www.ti.com/audiodesigndoc）提供了有關 TPA3100D2 與TPA3101D2 的 EVM（其中包括 Gerber 文件和 BOM），工程師可用其作為設計樣例。圖 6 顯示了頂部和底部的集成電路布局的模板。
接地層應足夠大，以滿足散熱需要。上述 EVM 采用約 3.25 英寸 x 3.5 英寸大小的雙面FR-4 基板制作而成，FR-4 基板上采用了 1 盎司銅，功率可達 20Wx2。我們應注意遵循產品說明書末尾的關于占位面積的建議，特別要遵循密度和尺寸方面的建議，以確保最佳散熱效果。
除實現散熱功能外，我們還建議在散熱焊盤上將模擬信號接地點與電源接地連在一起，這樣形成了星形連接的接地系統，從而確保最低噪聲和最佳音頻性能。
我們應將輸出濾波器上的 Cg 電容器與電源接地相連，否則就會讓噪聲進入模擬接地層。
要是有噪聲進入斜坡波形或內部偏置電壓，就會直接耦合到輸出，這正說明了為什么擴頻操作會增加噪聲的問題，特別是斜坡信號噪聲較大。尤其重要的是，我們應當注意 R6 (ROSC)、C5 (VREG) 和 C10 (VBYP)，因為這些模擬組件都非常敏感。在 EVM 中，R6、C5 和 C10連接在一起，并通過終端 17 （即模擬接地點）返回到星形接地系統。
此外，電源去耦對 D 類放大器至關重要。請注意我們使用的兩種去耦方法：一種是采用大型電解電容器 C21 與 C22，用以為低頻音頻信號提供電流；另一種是 C18 與C19，用作高頻陶瓷電容器，避免 IC 電源引腳處電壓下降。這兩個電容器應盡可能靠近電源終端，這非常重要。
- 模擬地
- 電源地
TPA3100D2 EVM 布局頂部視圖
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大型銅板連接到散熱焊盤，有助于散熱。
TPA3100D2 EVM布局底部視圖
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圖 6：TI 網站提供的 TPA3100D2 EVM 布局
自適應動態范圍控制
幾乎所有模擬輸入 D 類放大器被驅動到削波狀態時都會出問題。一旦出現削波失真，反饋架構離開削波狀態時會產生特點明顯的下降，圖 7 顯示了這種“最近競爭者”示意圖，這會造成不良音頻噪聲。在 TPA310x 之前，該問題唯一的解決方法就是鉗住輸入信號以避免削波失真。
圖 7：1kHz 正弦輸出，10% THD+N（總諧波失真加噪音）
和 8kHz 正弦輸出，10% THD+N
圖 8 顯示了 D 類音頻放大器的基本通道結構圖。OTA 信號變成積分放大器的輸入，該放大器的反饋即為輸出脈沖寬度調制 (PWM) 信號。積分輸入與反饋信號用三角波形斜坡和高速比較器轉化為 PWM，該 PWM 信號進行電平移動，以驅動橋接式負載 (BTL) 輸出 H 橋。
圖8 – TPA3100D2 結構圖
在削波狀態時，較長時間內,輸出信號電平處于VCC 和 GND 。如輸入強制輸出進一步進入削波狀態，那么積分放大器的輸出可移向正負軌，超過斜坡波峰和波谷。削波狀態消失后，積分放大器電容放電和輸出信號變回開關狀態都需要一定時間。當放大器離開削波狀態并增加 THD 時，這會導致音頻波形中出現陷波。
我們在 TPA3100D2 與 TPA3101D2 中添加了自適應動態控制 (ADRC) 電路，該電路正在申請專利，能提高較高功率情況下的音質。該電路旨在降低 D 類放大器中觀察到的過度失真，并驅動最大輸出。
ADRC 電路工作時會監控積分放大器的輸出。積分放大器的輸出超過斜坡高度時，積分放大器周邊的開關關閉，從而降低通道增益。圖 7 顯示了對限幅正弦波更好的響應。削波恢復電路通過降低整個削波狀態下的通道增益來努力限制積分放大器的最大擺幅。在 20 kHz 輸入頻率和 20V 電源電壓下，ADRC 電路為 8Ω 電阻提供了 22W 輸出功率，同時使 THD 降低了 0.52%。
結論
由于 D 類放大器為設計人員帶來了實實在在的優勢，因此廣泛應用于平板電視中。D 類放大器有助于散熱且無需散熱片，從而使工業設計更加緊密，對推出特色化產品而言非常重要。
對那些從 AB 類放大器轉向 D 類放大器設計的設計人員而言，他們必須注意避免一些常見的延遲設計進程的問題。只要您遵循本文的有關建議，就能將這些問題降到最小，從而加速設計進程。
商標
DLP 是德州儀器的注冊商標。所有其他商標和注冊商標均為其各自所有者的財產。
補充信息
數據路徑——數字還是模擬?
音頻信號到底采用數字格式還是模擬格式是我們必須做出的基本設計決定之一。幾年前，電視音頻信號鏈主要采用模擬技術，但現在，數字音頻數據路徑更為常見。數字和模擬路徑均有優劣勢。
HDTV 音頻傳輸的是經壓縮的數字信號，因此新型電視趨向于采用數字路徑，從 RF發送器到揚聲器之間的音頻信號是 100% 數字化的。模擬信號更容易受到噪聲影響，因此必須認真處理路由問題，差動或屏蔽傳輸，以避免衰減。而數字信號則具有較高的噪聲容限。大多數電視的音頻處理器都同時具備模擬與數字輸出，因此上述問題通常不會產生什么麻煩。模擬系統無需 ADC 來處理輔助輸入。就信號已經數字化的情況而言，數字技術的多路復用相當簡單。
就數字技術而言，添加揚聲器均衡、午夜模式等音效或者SRS TruSurround™ 等第三方算法相當簡單，我們甚至可在生產線上最后一步操作中添加上述功能，使單個 PCB 能跨多個平臺使用。 |
