輸出功率與電源電壓
音頻功率放大器在使用時(shí)有時(shí)為了遷就電源電壓或負(fù)載的阻抗而限制了最大輸出功率。由于P=V2/R，因此在既定的電源電壓之下如果要提升輸出功率，只能降低負(fù)載的阻抗，在既定負(fù)載阻抗之下如果要提升輸出功率只能提升電源電壓。提升D類音頻功率放大器輸出功率的方法除了選用高效率的芯片之外，在應(yīng)用中也有一些方法可考慮使用。
如果D類音頻功放的效率是85%而芯片的封裝可以散熱2W，則這個(gè)功放可以輸出大約11.4W的功率,即11.4/(11.4+2)=85%。通常，TSSOP20(EP)的封裝配合適當(dāng)?shù)腜CB布局在環(huán)境溫度70度時(shí)可散熱2W，所以這個(gè)封裝可以用于D類音頻功放每聲道5.7W的立體音響。一般5V電源使用的D類音頻功放的規(guī)格都定為5V及4Ω，但使用時(shí)并不一定如此。例如使用4顆干電池時(shí)初始電壓約6.5V，使用一小段時(shí)間后降至6V附近，然后緩慢下降一直到電力消耗到某一程度。另外有些4Ω喇叭的直流電阻低至3.2Ω，為了規(guī)范的一致性，功率放大器的供貨商常以電阻作為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載以標(biāo)示芯片的輸出功率或其它特性，所以對應(yīng)用而言6V及3Ω負(fù)載電阻也是一個(gè)常用的條件。
圖1：輸出功率與電源電壓的關(guān)系曲線圖。
輸出功率與負(fù)載電阻
從提升輸出功率的角度而言，由于輸出功率與電壓成平方正比，即P∝V2，因此電源電壓由5V提升到6V時(shí)輸出功率可以提升1.44倍即(6V/5V) 2 = 1.44。以TMPA3155DS或TMPA3156DS為例，在5V及4Ω時(shí)每聲道可以輸出3W，但在6V及4Ω時(shí)每聲道可輸出4.45W或立體聲共8.9W，輸出功率提升了4.45W/3W = 1.48倍，略大于理論值1.44倍。
圖2：輸出功率與負(fù)載的關(guān)系曲線圖。
由于輸出功率與負(fù)載電阻成反比，即P∝(1/R)，因此阻抗由4Ω降為3Ω時(shí)輸出功率可以提升1.333倍即4V/3V = 1.333。所以測試條件由5V及4Ω變?yōu)?V及3Ω時(shí)，輸出功率可提升1.92倍即1.44×1.333 = 1.92。以TMPA3056DM或TMPA3058DM為例，在5V及4Ω時(shí)可輸出3.1W但在6V及3Ω時(shí)可輸出5.3W，輸出功率提升了5.3W/3.1W = 1.71倍，小于理論值1.92倍。
從以上實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，工作電壓的提升可有效提高輸出功率，如TMPA3155DS/TMPA3156DS由5V及4Ω變成6V及4Ω時(shí)輸出功率提升了1.48倍，但負(fù)載電阻的降低配合電壓的提升并不能使輸出功率按比例增加，如TMPA3056DM/TMPA3058DM由5V及4Ω變成6V及3Ω時(shí)，輸出功率僅提升1.71倍。這是由于輸出晶體管接不同的負(fù)載會有不同的效率。例如Rds(on)為0.4Ω而負(fù)載是4Ω，則輸出晶體管的直流效率是4Ω/(4Ω+0.4Ω)= 91%。但同樣當(dāng)Rds(on)是0.4Ω，對3Ω負(fù)載而言直流效率為3Ω/(3Ω+0.4Ω)= 88.23%。此外，3Ω阻抗所造成電流的增加也會提高Rds(on)值而使輸出晶體管的直流效率更差。Rds(on)值與負(fù)載的關(guān)系如圖3。
圖3：汲極的電流與電壓曲線圖。
汲極的電流ID與汲極的電壓VDS的關(guān)系為
ID = K[(VGS – VT)VDS – 0.5VDS2]
因此 ID/VDS = K[(VGS – VT) – 0.5VDS]
Rds(on) = VDS/ID = 1/{K[(VGS – VT) – 0.5VDS]}
由汲極的電流與電壓曲線圖可知，如果負(fù)載線由4Ω改為3Ω則汲極的電流及電壓由(ID1, VDS1)變?yōu)?ID2, VDS2)。因?yàn)閂DS由VDS1增加為VDS2，依上述Rds(on)計(jì)算公式，當(dāng)VDS增加時(shí)Rds(on)也對應(yīng)增加，從而使輸出晶體管的直流效率更差。
另外溫度效應(yīng)是一個(gè)不太容易測量的因素，但在高溫時(shí)溫度效應(yīng)會有很大影響。由于上述芯片的輸出晶體管效率高，溫度效應(yīng)較不明顯，例如Rds(on)因?yàn)闇囟壬仙?.4Ω提升1.5倍至0.6Ω，在4Ω負(fù)載的狀況下，輸出晶體管直流效率由4Ω/(4Ω+0.4Ω) = 91%降至4Ω/(4Ω+0.6Ω) = 87%。但是如果原本輸出晶體管的效率不高，如Rds(on)原來是0.6Ω，但由于溫度上升，Rds(on)由0.6Ω提升1.5倍至0.9Ω時(shí)，輸出晶體管直流效率由4Ω/(4Ω+0.6Ω) = 87%降至4Ω/(4Ω+0.9Ω) = 81.6%。實(shí)際上，Rds(on)較高使效率變差而產(chǎn)生較多的熱，造成溫度上升，由于VT與溫度成正比，溫度上升會VT增大導(dǎo)致Rds(on)上升，進(jìn)而使得效率下降幅度更大。因此，降低負(fù)載電阻對功率的提升會因?yàn)橹绷餍首儾钍箿囟刃?yīng)更明顯而無法達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。
以上得出的結(jié)論是：在應(yīng)用中要提升輸出功率時(shí)，提升工作電壓比降低負(fù)載電阻有效，不僅輸出功率與工作電壓成平方正比，而且可以維持輸出晶體管與負(fù)載電阻的相對效率及較低的溫度效應(yīng)。但是提升工作電壓時(shí)要確認(rèn)芯片對于高電壓及高電流的承受程度，供貨商的產(chǎn)品手冊會有詳細(xì)標(biāo)示�；诳煽慷鹊目紤]，驗(yàn)證的時(shí)候需提高測試條件以確保應(yīng)用的容許度及產(chǎn)品的生命周期。
實(shí)例一：降低負(fù)載的阻抗以提升輸出功率
使用5V(6V)電源及T3155DS/T3156DS設(shè)計(jì)輸出功率為6W(7.8W)的單聲道音頻功放。
將立體聲功放的輸入端并聯(lián)及輸出端并聯(lián)(如圖4)，可以降低50%的輸出阻抗，所以此輸出端可以以同樣的效率推動1/2的負(fù)載電阻而提升輸出功率。
由公式P=V2/R，可知輸出功率與負(fù)載電阻成反比，所以降低負(fù)載電阻可以提升輸出功率。圖4的接線方式可使功放芯片用同樣的效率推動減半的負(fù)載電阻而使輸出功率得以直接套用P=V2/R的公式。T3155DS/T3156DS在5V/4Ω下可輸出每聲道3.02W，但是如果如圖1并聯(lián)使用則可在5V/2Ω時(shí)輸出每聲道6W的功率。如果電源電壓提升到6V時(shí)可以輸出7.8W的功率。由于外接輸入電阻不對稱或芯片的差異可能導(dǎo)致輸出端在切換時(shí)發(fā)生短路保護(hù)，輸出端需要以LC濾波器隔離。電源的電解電容為1000uF或更高。
圖4：使用5V(6V)電源及T3155DS/T3156DS設(shè)計(jì)輸出功率為6W(7.8W)的單聲道音頻功放。
如果5V/2Ω可以輸出6W的功率，則6V/2Ω應(yīng)該可以輸出(6V/5V)2=1.44倍的功率，亦即6W×1.44=8.64W，但實(shí)際輸出只有7.8W。功率減少的部份主要是由于輸出LC濾波器電感的直流電阻所消耗。T3155DS/T3156DS在5V/4Ω每聲道輸出3.02W，輸出是使用BEAD，直流電阻較低。
圖5：降低負(fù)載電阻可以提升輸出功率。
實(shí)例二：提升電源電壓以提升輸出功率
使用兩個(gè)串接的鋰電池及TMPA3056DM/TMPA3058DM設(shè)計(jì)輸出功率為5W的音頻功放。
由公式P=V2/R可知，輸出功率與電源電壓的平方成正比。所以提升電源電壓可以平方倍的提升輸出功率。圖6的接線方式是使用兩個(gè)串接的鋰電池提升電源電壓。三個(gè)二極管(1N4001)用來降低鋰電池的電壓至功放芯片的額定電壓。
圖6：使用兩個(gè)串接的鋰電池及TMPA3056DM/TMPA3058DM設(shè)計(jì)輸出功率為5W的音頻功放。
TMPA3056DM/TMPA3058DM關(guān)機(jī)時(shí)最高耐壓為7V，正常工作時(shí)最高耐壓為6.5V。點(diǎn)亮LED的電流在三個(gè)1N4001二極管產(chǎn)生大約1.8V的壓降，所以電源電壓由兩個(gè)串接鋰電池的7.2V~8.2V降低至5.4V~6.4V，小于正常工作的最高耐壓6.5V。為維持低音的硬朗度，電源電解電容建議使用2200uF。如需要每聲道5W的立體功放，可以使用兩個(gè)單聲道的功放芯片并共享電源Vdd。如果使用上述方法及一個(gè)立體聲功放芯片TMPA3155DS 或TMPA3156DS，在6V及4?時(shí)每聲道可輸出4.45W。 |
