海之星
发表于 2005-4-10 00:26:00
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平板电视的音频设计:平板屏幕搭配效果出色的音响
8 \* w" p% S1 M设计平板电视音频放大器需同时解决几大技术难题。工程设计过程中经常要进行多种因素的综合折中，平板电视的设计就是其中一个非常好的例子。我们怎么才能在超薄的DLP、等离子或液晶显示器底板上设计20W立体声音频功率放大器，同时又不影响散热性能呢？我们怎么才能支持空间有限的双层电路板同时又满足电磁干扰 (EMI) 测试要求呢？怎么才能为不同尺寸、不同功耗的屏幕设计出低成本的印制电路板 (PCB) 同时又满足紧迫的设计期限呢？$ A. {5 ?; h! s6 n
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幸运的是，工程师不必亲自来解决上述技术难题。因为许多问题都已得到解决，或者已经找到变通的办法。目前推出的新型器件可通过功能集成解决上述问题。解决上述技术问题并加速设计进程的方法之一就是采用德州仪器 (TI) 最新的 D 类音频放大器产品系列 TPA3100D2 与 TPA3101D2。
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4 J; A/ t! S# ~1 C( W0 g7 ZTPA3100D2 与 TPA3101D2 是专为平板电视市场设计的立体声D类放大器。这两款放大器均具备引脚对引脚兼容性，分别提供了 20W 和10W的立体声输出功率。新集成的特性包括更好的咔嗒/噼噗声抑制、自适应动态范围控制以及降低 EMI 的增强型功能等。上述产品解决了前代 D 类器件所面临的问题，从而加速了产品设计进程。
+ G* L R6 p# Q( I! e; v输出功率
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音频放大器设计中首先要考虑的问题就是确定所需的输出功率，这与屏幕大小直接相关，我们将在下面进行详细说明。其他应考虑的因素包括扬声器阻抗、总谐波失真 (THD)、放大器电压和放大器效率等。所有这些因素都彼此关联。举例来说，扬声器阻抗越高，放大器的效率和散热性能就越好，但却要求更高的放大器电压，否则输出功率较低时就会出问题。了解了上述因素之间的折中平衡，我们就应在各种因素间实现最佳平衡，这是良好设计的关键所在。7 M: q1 R3 H& o) r, G5 N7 P3 C. P% c
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TPA3100D2 的效率非常高，输出功率为 20Wx2（最大）时效率高达 92%。此时，功耗为 1.74W。我们将封装底部的散热焊盘直接焊接到 PCB 上即可实现轻松散热。PCB 中的接地层作为散热片，无需外部散热片。上述特性使 TPA3100D2 适用于超过 32 英寸的等离子和液晶电视，这些电视要求更大的音频输出功率，因为用户会坐在离扬声器较远的地方欣赏节目。( X9 f" ~- a' u( L0 u
; u* y$ @7 e4 p. A+ @# PTPA3101D2 是一款低成本的 10Wx2 解决方案，适用于屏幕较小（23 英寸至 32寸）的液晶电视。TPA3101D2 与 TPA3100D2 实现了引脚对引脚兼容，并具备相同特性。功率为 10Wx2 时，效率高达 87%。! Z% J- z/ O" V( j5 {' q' G( A
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由于 TPA3100D2 与 TPA3101D2 的外引脚、封装尺寸以及外部组件完全一样，因此不同的解决方案可采用相同的电路板设计，从而节省设计与制造时间，并降低库存成本。
+ _! d8 O* f( H& d散热性能与最大输出功率, x6 t1 a4 p: j0 Y% `
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设计电视音频解决方案时要考虑的另一重要问题就是散热性能。散热对平板电视来说至关重要。热量过高会使液晶屏幕的颜色失真，不过，要是在散热方面过度设计，又会增加材料清单 (BOM) 成本。此外，当D类放大器变热时，会降低效率，同时音频输出功率也会降低。因此，我们必须在设计早期阶段就应考虑到散热问题。% i' q) U' O6 l% M* t b
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不同的散热条件与要求会影响 TPA3100D2 和 TPA3101D2 的最大输出功率。我们下面将说明相关因素，并给出确定器件最大输出功率的系统方法。请注意，这里给出的信息仅从理论角度说明问题，我们仍需要了解实际散热情况。
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# V& |" ]- A1 `1. 根据产品说明书中的图 13 或 14（即本文的图 1）获得器件工作在 VCC 和 R L 情况下的效率。效率决定于多少电源功率能转变为实际的音频功率。效率越高就意味着能量消耗越小，输出功率也就越大。VCC 越高而 RL 越低，就会造成效率降0 |/ ?) ?+ w& k
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图1 TPA3100D2的效果与输出功率关系曲线图! S% g, }2 B2 s8 [1 P2 r' W
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2. 根据产品说明书中的典型耗散率获得降额因数——降额因数的倒数 RJA 更多用于散热分析。RJA 是指器件消耗每瓦特时上升的温度（单位℃）。RJA 取决于许多因素，产品说明书中的降额因数根据标准的特性板(characterization board)模拟(JEDEC，4层)。适当的 PCB 布局和散热片焊接对实现较低的 RJA 至关重要。
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3. 测量环境温度——环境温度指系统正常工作（即电视加电情况下）过程中，器件周围的空气温度，以 TA 表示。- H, X) d6 q t- L+ Z& e
" l* [+ Y( f. |9 o5 {, L: H4. 获得可允许的最大结点温度 (TJmax) 或最大外壳温度 (TCmax)——通过该项以及 RJA 可计算出可允许的最大功耗PD。% X) u9 R2 a0 J5 T
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5. 就给定的环境温度 TA，我们可用下列公式计算出器件最大输出功率：
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如果内部规范要求外壳温度保持在给定温度之下，那么我们假定 TCmax 略低于TJmax。根据经验法则，我们不妨假定 TJmax 比 TCmax 高 10 ℃。我们还可重新计算，以确保外壳温度在规范限度之内。' |! [# k* A/ X% t& Y3 A( y
: h- r0 ~" c0 U7 k7 a, F0 \当 VCC=18V；RL=8? TA=55℃；TJmax=150 ℃ 时，用以上方法，我们得出TPA3100D2 的最大输出功率为每通道 20W。$ c4 o8 y6 }+ g$ N2 a" I
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如果我们提高环境温度到 65 ℃，那么最大输出功率就会降至每通道 18W。
3 w9 C% X M/ K% O) f& V8 mEMI 性能与 LC 滤波器
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+ L/ h5 d1 @# O6 g, J* hEMI 是指电磁辐射，是电子电路传输快速变化的信号（如 D 类音频功率放大器输出信号）时所发出的。EMI 应在 CISPR 22 或 FCC Part 15 Class B 等标准规定的限度内。TI 的 D 类放大器采用其享有专利的集成电路来控制 EMI。3 f3 \# U0 l6 s2 B7 |+ f8 R% K. `% ]0 a! v
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有些 D 类放大器采用扩频技术，据说可以降低 EMI。这种技术随机改变 D 类放大器的基本开关频率，并通过频带扩散 EMI。TI 的放大器不采用这种技术，因为这会提高 6 dB 的噪声，也不能显著降低 EMI 峰值。我们可以通过优化板面布局和最小化电流环路来更好地满足 EMI 要求，从而使信噪比 (SNR)提高6dB,为听众提供更好的听觉体验。
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" G7 k; d1 H- yTI 的 D 类放大器采用称作“BD”调制的调制方案（如果 D 类放大器输出端与扬声器之间的距离足够短，那么采用 BD 调制技术的 D 类放大器的 EMI 将达到最小化，且无需输出滤波器。（电感扬声器是普通的低通滤波器，抑制扬声器的高次谐波音频信号。）尽管 TPA3100D2 与 TPA3101D2 采用这种无需滤波器的 BD 调制方案，但输出仍是快速变换的波形，其中包括高频谱，如图 2 所示。. w) f/ d& U2 M% ?/ Y( s
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图2 输出信号的频谱9 X! R2 G; n" H
- R4 K" T% d9 U! H由于电磁辐射效率随导体的长度加长而增加，因此如果使用较长扬声器线圈的话，就需要滤波器，而且它还应尽可能靠近放大器。几乎所有情况下我们都建议使用滤波器，即便就扩频D 类放大器来说也一样。! i3 Y ?: g6 ], [
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图 3 所示的 LC 滤波器最为常用，该滤波器垂直跌落，理论上是无损的。建议采用二阶巴特沃思 (Butterworth) 低通滤波器，因为该滤波器的通带较平，而且能实现理想的相位响应。就单端输出而言，我们可用式 (5) 和 (6) 来设计巴特沃思滤波器。
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! W$ T' T8 L, t' H( j图3 单端低通滤波器2 {( A( Y8 s5 @
6 m1 x3 ~+ ~7 y1 ?: C q% ^, T这里假定w0 是角速度截止频率。
+ f2 I. O' e- ^8 j( r将单端滤波器组件值转化为桥接式负载滤波器的组件值，进行如下转化以形成如图 4 所示的滤波器：4 z& }' j% L: q% B i! L
添加去耦电容器Cg 可进一步降低 EMI。经计算，Cg 等于 CBTL 值的1/10。6 Q8 S% e7 }4 M2 R6 _% k
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采用如图 4 所示的 LC 滤波器，TPA3100D2 与 TPA3101D2 EMI参考设计在采用 21 英寸扬声器线圈情况下通过了 FCC Part 15 Class B 辐射认证要求。我们就四种定位进行准峰值测量，TPA3100D2 与 TPA3101D2 EMI 评估板 (EVM) 都以超出要求 5.6 dB 的水平通过了认证。图 5 给出了水平后置情况下的峰值测量示意图。- A( A. h' b9 _! o& n
4 @: |# e$ f- D9 L9 I9 t! N- m图4 桥接式负载LC低通滤波器的实现* `) ^7 l8 g+ {0 X
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图5 辐射预扫描30-1000MHZ' j. G. ]* P8 J7 d1 U6 e
板面布局 |" [/ W, _8 ]% u( T8 @# J
5 s' W- N. C* c/ [' P3 H# [2 S C进行 D 类放大器设计工作时，PCB 布局对散热、可靠性、噪声和失真等性能来说至关重要。TI 网站提供了有关 TPA3100D2 与TPA3101D2 的 EVM(其中包括 Gerber 文件和 BOM)，工程师可用其作为设计样例。图 6 显示了顶部和底部的集成电路布局的模板。接地层应足够大，以满足散热需要。上述 EVM 采用约 3.25 英寸 x 3.5 英寸大小的双面FR-4基板制作而成，FR-4 基板上采用了1 盎司铜，功率可达 20Wx2。我们应注意遵循产品说明书末尾的关于占位面积的建议，特别要遵循密度和尺寸方面的建议，以确保最佳散热效果。 |
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发表于 2005-4-10 00:38:00
