數字放大器技術自從問世以來已有長足的進展，雖然數字放大器曾經是新興的技術，不過現在已普遍應用于日常生活中各個層面的產品，包括 DVD 接收器、平板電視及 MP3 基座。比較各通道的功率級耗電量，即可明顯看出這一先進的技術所發揮的性能。相較于第一代的功率級，現今可用的功率至少增加十倍，數字放大器功率級提供的功率如今提升到各通道 10 W 到 315 W 的程度。功率經過提升后，使得更多種消費性電子產品或其它電子產品能夠運用數字放大器的優點 (高效率及數字信號完整性等)，然而，此一功率級等比增加有其設計方面的挑戰。
最新的 300 W 功率級能夠處理相當大的電流量，例如，德州儀器所發表 TAS5261 的最大關機電流為 17 安培。高功率放大器的大部分設計挑戰與處理這方面的高電流量有關，必須針對音頻路徑中的任何組件予以考慮。此外，H 橋所需的電壓為 50V，因此，針對這一設計選擇的組件必須能夠安全地在此電壓下運作。
高功率數字放大器的設計挑戰包括：
1) SMPS 問題，包括拓樸及高流量設計等問題；
2) 必須正確指定 SMPS 及高流量信號路徑中的重要組件，以處理較高的功率和電流；
3) 印刷電路板 (PCB) 設計問題，包括信號線寬度及電磁波干擾 (EMI)。
SMPS 問題
一般而言，可達到各通道 300 W 的立體聲或多通道產品需要能夠持續達到 600 W，才能符合美國聯邦貿易委員會 (FTC) 現今制定的規定。根據 FTC 的規定，左右聲道必須持續五分鐘發揮全功率，廠商才能聲稱此功率為額定功率。由于切開關式電源(SMPS) 是數字放大器目前最普遍使用的電源技術，因此這需要 SMPS 能夠提供至少五分鐘的600 W功率級 。從散熱的角度而言，五分鐘是相對較長的時間，實際上，SMPS 必須能夠持續達到這一功率。對于此這一高功率，一般建議采用推挽式、半橋式或全橋式 SMPS。
至于低功率 SMPS 設計 (低于 200 W)，最常采用反向拓撲。本文不在此細述何以推挽式或半橋式 SMPS 適用于高功率級等，以下僅提供概略說明。在反向 SMPS 中，僅使用一部分的變壓器磁性 B-H 曲線 (見圖 1)，另外，反向 SMPS 的構造較為簡易，成本也較為低廉。
圖 1. SMPS 變壓器磁性的 B-H 遲滯曲線
由于高功率 SMPS 的高電流會在 SMPS 變壓器中造成極高的磁通量，因此使用整個 B-H 遲滯回路曲線可降低磁性核心的損耗。推挽式或半橋式拓樸可增加 SMPS 的功率，然而，設計的復雜度及成本也隨之增加。
另外也需要更換 SMPS 中使用的組件，才能達到高功率及高電流。而 SMPS 變壓器也必須增大，才能處理高功率及高電流。對于 220 VAC 輸入，600 W SMPS 的峰值電流可達到 15 安培。對于 110 VAC 設計 (90 VAC 至 136 VAC)，則建議在濾波器后使用倍壓器或功率因素修正 (PFC)，這是因為對于 90 VAC至 136 VAC 輸入的 600 W SMPS 而言，輸入電流會相當大。其中需要密切監視的組件包括主要輸入交流轉直流整流器電容，以及輔助 DC 漣波電壓消除電容。另外，輸入 EMI 線路濾波器也必需能夠支持增加的功率負載。
由于設計這些電源供應相當復雜，而且需要專業知識，因此一般建議使用現有的 SMPS 電源供應。
音頻信號路徑的組件
針對較高的紋波電流進行設計則有另外的考慮。例如，根據圖 2 顯示的電路，在 H-橋電壓 (PVDD) 為 50V、使用 10μH 電感且切換頻率為 384 kHz 的情況下，使用 TAS5261 的系統所出現的紋波電流可達到 1.6 安培。這表示，輸出 LC 濾波器及 PVDD 電容中的電感及電容必須能夠處理負載電流及此紋波電流。濾波器電感中出現高電流也表示電感必須有相當低的 DC 電阻 (建議低于 25 毫歐姆)，然而，即使電阻相當低，濾波器電感也會出現 I2R 耗損。電感必須能夠因應最終造成的溫度上升，尤其核心材料更是如此。TAS5261 參考設計包含材料表及特定電感零件編號。
圖 2. TAS5261 參考設計的 PVDD 電容及輸出 LC 濾波器等組件
PCB 設計問題
高電流放大器及 SMPS 的 PCB 信號線必須有最小的電阻，才能夠將 I2R 耗損降至最低。一般而言，這表示應該使用 2 盎司的銅，并且使信號線盡可能寬。圖 3 顯示 TAS5261 參考設計 PCB 的信號線。為了將 EMI 及音頻性能的問題降至最低，應該盡可能按照其中的配置，并且將這一配置完全不變地應用于功率級的高電壓/高功率端。高功率信號線位于頂層的集成電路 (IC) 右側 (如箭頭所示)。圖 3 另顯示 TAS5261 參考設計的 PCB 配置。
圖 3. TAS5261 參考設計 PCB 的高電流信號線范例
數字放大器的全新高瓦數功率級有助于開發更加多樣化的產品及應用，本文所述的概念可協助克服進行高功率設計時遭遇的主要挑戰。 |
