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英飞凌MERUS™多级D类放大器带您走向音频性能新纪元

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卓尔不群的清晰音质体验,专为音乐爱好者而打造
作者:Rien Oortgiesen,D类音频应用工程经理,Tybo Jens Jensen,D类音频应用工程负责人,英飞凌科技股份公司
我们的日常生活充斥着人声、噪音和音乐。不论是讲话还是聆听,我们都是依靠声音与环境联系起来。如今我们也越来越重视音频设备及其环境的理念与设计,它们已经成为生活中密不可分的一部分。近年来,随着相关设计和半导体技术解决方案的不断创新,音频设备迅速发展。其中,音频放大器技术更是从AB类放大器发展到了D类放大器,这愈发提升了音频设备的性能。而多级D类音频放大器的推出,更是能大幅提升用户体验。这种创新型D类放大器技术能够以更高的效率和更小的尺寸,带来更高的音量效率。笨重、要求苛刻而又低效的音频器件已成为历史。
英飞凌开创性的MERUS™多级D类技术特别适用于对尺寸、散热以及功耗方面有着苛刻要求的设备,如电池供电无线扬声器、条形音箱、多房间音响以及家庭影院系统。
 
多级技术的优势与工作原理
尽管传统的D类音频放大器的效率已经达到了90%及以上,但是其相对较高的功率、仅实现了50%左右的常用音量效率,加上它对LC滤波器与散热器的需求,使得其占用的空间较大(成本也更高)。
MERUS™ 多级D类放大器打破了这些局限。其技术创新带来了以下优势: 
无需输出LC滤波器,尺寸更小,成本更低
改善了常用音量效率
显著降低功耗,减少了散热
得益于高频的多级开关,音源的细节得以保留音质音感得以提升。
这款突破性的放大器产品采用多级半桥功率级,在待机或近待机时,能够实现低功耗。不同于传统的D类放大器,该产品的每个半桥功率级都具有4个晶体管/MOSFET(传统D类放大器仅为2个)。这些半桥通过单电源建立多个PWM输出级(每个MOSFET由单独的PWM信号驱动),这就带来了极大的灵活性,并且能够在任何应用中为放大器配置最佳功率性能。位于顶部和底部MOSFET之间的飞跨电容(Cfly)由独立的电路持续供电,因此能够将电压电位保持在固定水平。这个“飞跨电容”基本上起到了额外电源轨的作用。这样一来,每个半桥功率级都能在输出切换节点处建立一个三电平输出信号:0 V、½ PVDD和PVDD 。
图1:MERUS™放大器采用了独特的功率级拓扑结构。基于这种设计,每个半桥都可以利用四个MOSFET(M1-M4)和位于这些MOSFET之间用作额外电源轨的飞跨电容,在输出切换节点处建立三电平输出信号。 
在完整的桥式负载(BTL)配置下——即将两个三电平半桥与切换模式相结合,其中每个半桥的切换模式都相对于另一个90°相移——产生的功率级可以为差分连接的扬声器负载提供5级调制模式。
多级调制能够产生更高的输出频率,各个电压阶跃也更小,与传统的D类放大器相比,其输出的音频信号更接近输入波形。
图 2:MERUS™多级D类放大器能够提供完整的桥式负载5级输出信号。这些IC的5级输出,不再需要外部输出级滤波,从而最大限度地降低了整体功率损耗,与传统的D类放大器相比,其输出音频信号也更接近于输入波形。 
这个5级系统使输出节点的开关频率提高到了原来的四倍,差分连接扬声器负载的带外切换残差也更少。凭借更高效、更优异的EMI和EMC管理,该放大器能够有效地被配置为无滤波器运行。在这种情况下,扬声器负载切换频率是半桥输出节点MOSFET开关频率的4倍。还值得注意的是,切换模式会产生三种状态(传统D类放大器只能产生一种状态)(这时,带外切换残差完全消除),即- ½ PVDD、0 V和+½ PVDD。在这些状态下,两个半桥输出要么都是0V,要么都会产生完全“镜像”的50%占空比输出。在应用中,这会直接降低音频系统输出的波纹电流。由于不需要抑制带外开关噪音或伪影,因此多数应用中,不需要使用共模情况下的LC滤波器。波纹电流降低的影响参见图3。当标准化为传统的D类放大器的波纹电流时(紫线),三电平或半桥(绿线)和5电平或BLT(灰线)调制输出信号的波纹电流明显变小。于是,除了固有地提高开关效率,由于外部元件的波纹电流降低,其总功耗和功率损耗也显著降低。
图3:由于外部元件的波纹电流显著降低,音频应用的总功耗和功率损耗也相应降低。0状态下的三电平和五电平信号,无波纹电流。 
多级D类放大器带来的设计优势
由于多级D类放大器显著降低了功耗,因此其运行效率得到了提升。加上它在待机以及平均音量下的功耗较低,因此有助于设计人员设计出电池寿命更长或电池体积更小的便携式音频系统。 
 
  
图4a和4b:MERUS™ MA12040多级D类放大器在待机时耗电仅为250 mW。近待机时,功耗较为平稳,明显低于传统D类放大器,每声道甚至能达到2W。对比右图,可发现改进功耗的重要性(MERUS™ MA12040放大器在4 Ω负载下最大输出功率为40W;此时二者都采用18V电源轨)。
由于总功耗取决于平均功率损耗,而且在再现常见的音频信号时,主要取决于待机损耗,与最常见的D类放大器相比,多级放大器的总功率效率改善因子为4或以上。这时使用数字控制接口,就可通过选择不同的调制方式和开关频率,实现不同的功率模式。在放大器运行期间,功率管理算法会根据给定的功率级自动选择最佳功率模式。功率模式之间的无缝切换,能够在整个输出功率范围最大限度地减少功率损耗,同时确保高音频性能和低EMI。由于无需借助大量滤波来抑制不必要的干扰,哪怕在高功率应用中,多级放大器也不必依靠LC和RC滤波器,而是直接驱动扬声器,这降低了应用成本。就算音频产品设计人员依然希望使用LC滤波器,它们也要比传统D类放大器的体积小。 
低功率损耗意味着产生的热量更少,运行温度更低。在很多情况下,放大器电路板本身就能提供足够的散热能力,即使是通常需要使用专用散热器的高功率应用也不例外。由于音频设备内部的运行温度较低,在高输出功率运行期间,如高音量播放音乐时,它有着更大的裕量。较低的运行温度减少了热加速老化,因此,这也改善了音频设备的可靠性。 
图 5:英飞凌设计参考,使用小型电路板来演示应用于超紧凑低功耗消费者应用的MERUS™ 多级放大器器件。该解决方案尺寸为40 mm x 45 mm,每通道输出功率达80 W。放大器的每个半桥输出端只有一个组合了SMD(1210)铁氧体磁珠和SMD(0402)1.0 nF电容的小型EMI滤波器。
成就新一代音频产品:在音频质量方面毫不妥协
现在,设计人员可以在尽可能地减少设计工作量、避免耗时的外部环路滤波器元件选择和流程优化的前提下,设计出具有环路稳定性和高性能的产品了。模拟版以及数字版的MERUS™功放芯片都集成了内置四阶反馈环路,这可以更加有效地抑制可能降低音质的误差。多级放大器采用了音频信号来调制四阶反馈控制环路内的PWM信号的占空比。因此,这个四阶环路能够提供更好的增益,比传统的二阶环路更好地抑制误差,从而保证极低的信号失真、卓越的音频性能,即使电源不是理想电源(有噪音或者纹波),依然保证低失真度高音质并稳定可靠。
多级开关拓扑结构与动态电源管理方案相结合,打破了音频放大器解决方案的效率和紧凑性的局限,为您带来出类拔萃的音频质量。MERUS™放大器能够给产品设计人员带来灵感,帮助他们开发出全球最高效的便携式音频设备,最终赢得那些追逐创新产品的环保消费者这一庞大群体的青睐。 
了解更多MERUS™音频解决方案的信息,请扫描下方二维码,或访问www.infineon.com/merus观看视频。
www.infineon.com 
 
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