音頻放大器的LLC設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

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本期，我們將介紹設(shè)計(jì)半橋電感器-電感器-轉(zhuǎn)換器 (LLC) 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (HB LLC-SRC) 的必備知識(shí)

設(shè)計(jì)音頻放大器的電源時(shí)必須將特殊注意事項(xiàng)考慮在內(nèi)。與標(biāo)準(zhǔn)隔離式電源相比，音頻信號(hào)的非線性性質(zhì)提出了不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

音頻功率

在廣泛的電氣工程領(lǐng)域中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：不同的行業(yè)，甚至不同的公司，可能會(huì)使用不同的專業(yè)術(shù)語來描述同一個(gè)主題。為了實(shí)現(xiàn)成功的設(shè)計(jì)，電源工程師和音頻工程師之間的相互理解至關(guān)重要。

首先需要明確兩個(gè)術(shù)語：峰值功率和連續(xù)功率。峰值功率是最大瞬時(shí)音頻功率。它將決定電源可實(shí)際輸出的功率大小。連續(xù)功率是指一段時(shí)間內(nèi)的平均音頻功率。在電源設(shè)計(jì)中，連續(xù)功率是指系統(tǒng)在不超過元件溫度或平均電流額定值的情況下可以提供的特定輸出功率。圖 1 提供了峰值和連續(xù)音頻級(jí)別的示例。它們與波峰因數(shù)(波形的峰值與均方根 (RMS) 值之比的度量)有關(guān)。

圖 1. 此圖展示了連續(xù)和峰值功率音頻級(jí)別

它也可以通過方程式 1 用分貝表示：

方程式 1

用RMS表示音頻功率并不恰當(dāng)，因?yàn)閺募夹g(shù)角度而言，它并不是計(jì)算得出的功率波形 RMS 值。音頻放大器規(guī)格設(shè)定非常復(fù)雜，無法在此處詳盡闡述，可能需要另寫一篇文章來深入探討。請(qǐng)注意，有關(guān)額定放大器功率級(jí)別的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一定能明確電源在峰值和連續(xù)功率方面的要求。

以針對(duì) 400W 音頻放大器設(shè)計(jì)LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC)為例。在事先不了解音頻系統(tǒng)的情況下，可能會(huì)設(shè)計(jì)出卓越的 400W 電源。但在需要為放大器加電時(shí)，電源會(huì)出現(xiàn)故障或音頻質(zhì)量較差等問題。LLC 轉(zhuǎn)換器的增益曲線通常會(huì)基于最大負(fù)載設(shè)計(jì)，并在最小線路條件下接近串聯(lián)諧振頻率運(yùn)行。這種方法通常會(huì)設(shè)計(jì)出卓越的 400W LLC-SRC，但在實(shí)際的音頻系統(tǒng)中，峰值功率實(shí)際上將大于放大器的 400W 額定功率。開始電源設(shè)計(jì)之前，應(yīng)至少指定連續(xù)功率和峰值功率。

對(duì)于400W 放大器示例，播放壓縮音樂的消費(fèi)類產(chǎn)品的適當(dāng)功率級(jí)別可以是 200W 的連續(xù)功率，也可以是 800W 的峰值功率，持續(xù) 15ms。這表示波峰因數(shù)為 12dB，即經(jīng)處理音樂的典型值。未經(jīng)處理的音頻約為 18dB 至 20dB，電影音頻約> 20dB。峰值與連續(xù)功率之比最終取決于具體的應(yīng)用，因此，在設(shè)計(jì)過程的早期就必須清楚地定義這些參數(shù)。不同負(fù)載電平的持續(xù)時(shí)間要求對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)也很有幫助。請(qǐng)謹(jǐn)記，務(wù)必要考慮音頻放大器的效率，因?yàn)榉糯笃髦袝?huì)存在損耗，從而導(dǎo)致電源的負(fù)載更高。

LLC-SRC 設(shè)計(jì)

一旦規(guī)格最終確定，便可以繼續(xù)進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。根據(jù)地區(qū)和應(yīng)用的電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，您可能需要為此功率級(jí)別的設(shè)計(jì)提供功率因數(shù)校正 (PFC)電源。PFC 前端將提供穩(wěn)壓 400VDC 總線，用作 LLC-SRC 的輸入。

與大多數(shù)諧振轉(zhuǎn)換器一樣，設(shè)計(jì) LLC-SRC 的第一步是選擇諧振回路元件。這將設(shè)置諧振頻率并形成增益曲線。在此步驟中，確?？梢赃_(dá)到峰值功率電平下的輸出電壓。如果諧振回路無法實(shí)現(xiàn)所需的增益，則輸出電壓將在音頻達(dá)到峰值時(shí)下降，從而降低音頻質(zhì)量或關(guān)閉放大器。峰值功率的持續(xù)時(shí)間要求對(duì)于輸出電容器來說通常太長，無法維持輸出電壓，因此電源需要能夠?qū)嶋H提供整個(gè)峰值負(fù)載。

對(duì)峰值增益預(yù)留一些額外的余量。由于變壓器構(gòu)造的物理限制，并不總是能達(dá)到精確的匝數(shù)或電感值。對(duì)于需要達(dá)到高峰值功率的音頻設(shè)計(jì)，使用分立式諧振電感器將大有裨益，可確保更精確的諧振和磁化電感。

在峰值功率下，選擇可處理峰值電流的元件非常重要。設(shè)計(jì)磁性元件時(shí)，請(qǐng)確保它們不會(huì)飽和。在連續(xù)功率下，根據(jù)持續(xù)熱性能來選擇元件和封裝很有必要。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)縮減某些封裝的尺寸，并使用 PCB 進(jìn)行熱管理，而不是使用散熱器。

與任何 LLC-SRC 一樣，構(gòu)建增益曲線是一個(gè)迭代過程。嘗試達(dá)到特定的工作頻率、諧振電流和電壓，并在峰值和連續(xù)功率級(jí)別之間平衡設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性。在完成計(jì)算時(shí)，需要調(diào)整磁化電感、諧振電感、匝數(shù)比和諧振電容。100kHz 是硅基設(shè)計(jì)的常見諧振頻率目標(biāo)。對(duì)于音頻應(yīng)用，目標(biāo)應(yīng)設(shè)為100kHz，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)功率工作點(diǎn)。圖 2 展示了針對(duì)上述示例的增益曲線。工作頻率范圍為 83kHz 至 139kHz。

圖 2. 該增益曲線針對(duì) LLC-SRC 設(shè)計(jì)而構(gòu)建

突發(fā)模式

現(xiàn)代 LLC-SRC 設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是可提高輕負(fù)載效率的突發(fā)模式運(yùn)行。突發(fā)模式還用于滿足行業(yè)待機(jī)功耗相關(guān)規(guī)定。當(dāng)突發(fā)數(shù)據(jù)包頻率處于可聞噪聲范圍內(nèi)時(shí)，需要考慮可聞噪聲，但UCC256404 等一些 LLC 諧振控制器使用突發(fā)模式控制律來防止突發(fā)頻率產(chǎn)生可聞噪聲。

以下是三種方法以及相應(yīng)的選擇理由：

啟用突發(fā)模式：使用突發(fā)模式可在不關(guān)閉主輸出的情況下降低待機(jī)功耗。將瞬時(shí)為放大器供電，這樣便不會(huì)因電源啟動(dòng)造成延遲。

禁用突發(fā)模式：在待機(jī)模式下，轉(zhuǎn)換器將需要通過標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)操作來調(diào)節(jié)輸出。這降低了輕負(fù)載效率，但可以降低復(fù)雜性并進(jìn)一步消除任何可聞噪聲問題，例如次級(jí)側(cè)整流器寄生效應(yīng)對(duì)增益曲線的影響。圖 2 展示了增益曲線在較高頻率下實(shí)際如何開始上升。如果無法達(dá)到最小增益，電源將失去調(diào)節(jié)功能。

禁用外部控制器：當(dāng)音頻放大器未運(yùn)行時(shí)，使用外部禁用電路來關(guān)閉控制器。與突發(fā)模式相比，這種模式可以降低待機(jī)功耗，但會(huì)增加成本，因?yàn)橄到y(tǒng)現(xiàn)在需要輔助電源。當(dāng)放大器準(zhǔn)備好輸出音頻時(shí)，也會(huì)存在啟動(dòng)延遲。

圖 3. 在禁用突發(fā)模式的情況下，增益曲線將開始在較高頻率處攀升

LLC-SRC是一種高性能拓?fù)?，可支?100W 至 500W 的連續(xù)功率范圍。該拓?fù)浞浅＿m用于需要高效率和超低電磁干擾 (EMI) 的交流/直流系統(tǒng)。諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性，即使在被應(yīng)用到錯(cuò)綜復(fù)雜的音頻系統(tǒng)之前也是如此。電源工程師和音頻工程師在放大器所需的峰值和連續(xù)功率級(jí)方面相互了解是一切的基石。上述策略可視作成功設(shè)計(jì)用于音頻應(yīng)用的LLC-SRC的良好開端。