高功率數字放大器的設計挑戰
加入技術交流群
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
評論