平板电视的音频设计:平板屏幕搭配效果出色的音响

dinglin

平板电视的音频设计:平板屏幕搭配效果出色的音响
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？

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。

TPA3100D2 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。
输出功率

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。

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。

TPA3101D2 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%。

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。
散热性能与最大输出功率

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。

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。

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

图1 TPA3100D2的效果与输出功率关系曲线图

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。

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。

4. 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。

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：
   
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。

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。

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。
EMI 性能与 LC 滤波器

EMI 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。

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。

TI 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。

图2 输出信号的频谱

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。

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。

图3 单端低通滤波器
      
这里假定w0 是角速度截止频率。
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：
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。

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。

图4 桥接式负载LC低通滤波器的实现

图5 辐射预扫描30-1000MHZ
板面布局

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。

dinglin

除实现散热功能外，我们还建议在散热焊盘上将模拟信号接地点与电源接地连在一起，这样形成了星形连接的接地系统，从而确保最低噪声和最佳音频性能。

我们应将输出滤波器上的 Cg 电容器与电源接地相连，否则就会让噪声进入模拟接地层。

要是有噪声进入斜坡波形或内部偏置电压，就会直接耦合到输出，这正说明了为什么扩频操作会增加噪声的问题，特别是斜坡信号噪声较大。尤其重要的是，我们应当注意 R6 (ROSC)丄C5 (VREG) 和 C10 (VBYP)，因为这些模拟组件都非常敏感。在 EVM 中，R6、C5  和 C10连接在一起，并通过终端 17 （即模拟接地点）返回到星形接地系统。



此外，电源去耦对 D 类放大器至关重要。请注意我们使用的两种去耦方法：一种是采用大型电解电容器 C21 与 C22，用于为低频音频信号提供电流；另一种是 C18 与C19，用作高频陶瓷电容器，避免 IC 电源引脚处电压下降。这两个电容器应尽可能靠近电源终端，这非常重要。
自适应动态范围控制

几乎所有模拟输入 D 类放大器被驱动到削波状态时都会出问题。一旦出现削波失真，反馈架构离开削波状态时会产生特点明显的下降，图 7 显示了这种“最近竞争者”示意图，这会造成不良音频噪声。在 TPA310x 之前，该问题唯一的解决方法就是钳住输入信号以避免削波失真。

图8  显示了 D 类音频放大器的基本通道结构图。OTA 信号变成积分放大器的输入，该放大器的反馈即为输出脉冲宽度调制 (PWM) 信号。积分输入与反馈信号用三角波形斜坡和高速比较器转化为 PWM，该 PWM 信号进行电平移动，以驱动桥接式负载 (BTL) 输出 H 桥。

图8 TPA3100D2 结构图

在削波状态时，较长时间内,输出信号电平处于VCC 和 GND 。如输入强制输出进一步进入削波状态，那么积分放大器的输出可移向正负轨，超过斜坡波峰和波谷。削波状态消失后，积分放大器电容放电和输出信号变回开关状态都需要一定时间。当放大器离开削波状态并增加 THD 时，这会导致音频波形中出现陷波。

我们在TPA3100D2与 TPA3101D2 中添加了自适应动态控制 (ADRC) 电路，该电路正在申请专利，能提高较高功率情况下的音质。该电路旨在降低 D 类放大器中观察到的过度失真，并驱动最大输出。
ADRC 电路工作时会监控积分放大器的输出。积分放大器的输出超过斜坡高度时，积分放大器周边的开关关闭，从而降低通道增益。图 7 显示了对限幅正弦波更好的响应。削波恢复电路通过降低整个削波状态下的通道增益来努力限制积分放大器的最大摆幅。在 20 kHz 输入频率和 20V 电源电压下，ADRC 电路为 8Ω 电阻提供了 22W 输出功率，同时使 THD 降低了 0.52%。
结语

由于 D 类放大器为设计人员带来了实实在在的优势，因此广泛应用于平板电视中。D 类放大器有助于散热且无需散热片，从而使工业设计更加紧密，对推出特色化产品而言非常重要。

对那些从 AB 类放大器转向 D 类放大器设计的设计人员而言，他们必须注意避免一些常见的延迟设计进程的问题。只要您遵循本文的有关建议，就能将这些问题降到最小，从而加速设计进程。

hzdcompose

楼主辛苦了,谢谢楼主