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利用G类音频放大器延长电池使用时间
作者:德州仪器 ShreHarsha Rao
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音频器件/扬声器展厅
音频功率放大器, 语音芯片, 喇叭, 扬声器, 蜂鸣器, ...
音频是便携式消费类电子设备不可或缺的一个重要组成部分。集成耳机音频功率放大器有助于放大低功耗基带音频信号,以在使用耳机时驱动清脆、清晰的音频。另外,这些放大器都需要具有极高的效率,以实现更长时间的电池寿命。为了迎接这种挑战,广大设计人员将使用G类音频放大器拓扑结构。

典型的线性音频放大器拓扑结构为A类、B类、C类和AB类。虽然这些音频放大器均为线性;但它们的效率并不是很高。请参见表1和图1。

效率的定义为输出功率(向负载提供的功率)与输入功率(从电池吸取的功率)的比,用百分比表示。更高的效率意味着以热损耗形式浪费的电池功率更少。为了改善便携式音频设备的电池使用寿命,放大器需要更高的效率。

AB类(线性)放大器具有固定的电源轨,消耗固定量的电源电流,以获得理想的输出电压。在桥接式负载(BTL)状态下,该电源电流等于输出电流。通过负载的电源电流致使所有输出MOSFET出现压降。MOSFET压降增加的这些电流,在放大器中形成较大的功耗,这就是AB类放大器效率仅为50%的原因。

表1 线性音频放大器拓扑结构
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图1 各种放大器拓扑的导电角

什么是G类拓朴?

在极高电平条件下,G类拓扑为一种多电源的AB类拓扑变体。G类拓扑充分利用了典型音频/音乐源都具有极高峰值因数(10-20dB)的这一有利条件。这就意味着峰值音频信号高于平均音频信号(RMS)。大多数时候,音频信号都处在较低的幅值,极少时间会表现出更高的峰值。

新型G类拓扑使用自适应降压转换器,以产生随音频信号移动的电源电压。它为大多数平均音频信号产生有充足余量的低电源电压,并切换至高电源电压来适应偶发的峰值电压。由于电源的自适应特性,高峰值因数的典型音乐/音频源的功耗得到极大降低。这样便带来更低的电池电流消耗,从而获得比AB类构架更高的效率。

这种电源电压为自适应型。它在高音量音频信号时升高,从而防止大峰值电压失真,同时在小音频峰值时下降来降低功耗。

G类拓朴工作原理

图2描述了G类放大器的运行情况,其在低音频电压峰值时的电源电压为1.3V,并在高峰值时自适应升高至1.8V。我们使用一个降压DC/DC转换器来产生这些低电源轨(请参见图 3)。

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图2 G类拓扑自适应移动放大器电源实现节能

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图3 G类耳机放大器结构图

G类放大器使用自适应电源轨,并利用一个内置降压转换器来产生耳机放大器正电源电压 (HPVDD)。充电泵对HPVDD进行反相,并产生放大器负电源电压(HPVSS)。这样便让耳机放大器输出可以集中于 0V。音频信号幅值较低时,降压转换器产生一个低 HPVDD 电压 (HPVDDL)(请参见图 2)。这样便在播放低噪声、高保真音频的同时最小化了 G 类放大器的功耗。

如果由于高音量音乐或者瞬态峰值音频幅值增加,则降压转换器产生一个高HPVDD电压 (HPVDDH)。HPVDD 上升速率快于音频峰值上升时间。这样便可防止音频失真或削波。音频质量和噪声层不受 HPVDD 的影响。这种自适应 HPVDD 在避免削波和失真的同时最小化了电源电流。由于正常的听力水平在200mVRMS以下,因此HPVDD最常位于其最低电压 HPVDDL。所以,相比传统的AB类耳机放大器,G类放大器拥有更高的效率。

利用G类音频放大器延长电池使用时间

为了说明通过G类音频放大器实现的电池使用时间增加情况,我们的计算均基于如下值:

●PBATT:电池功率
●VBATT:电池电源电压
●IBATT:电池电源电流
●VDD:DC/DC 转换器输出电压
●PDD:DC/DC 转换器输出功率
●VOUT:负载电压
●RL:负载阻抗
●POUT:负载功耗
●IOUT:负载电流

一个标准的AB类放大器中,电源电流等于输出电流 (IBATT= IOUT)。使用G类(降压转换器)时,电源电流(电池)为输出电流的一部分,其以公式 IBATT= IDD x VDD/VBATT表示。

假设一个放大器,驱动32 Ohm负载的200 mVRMS,则负载输出电流为:IOUT= VOUT/RL= 200mVRMS/32Ω = 6.25 mA。假定静态电流为1 mA (IDDQ),则放大器吸取的总电流为:IBATT= 7.25 mA。

那么,AB类放大器吸取的总功率的计算方法如下(假设为一块4.2V的锂离子即Li-Ion电池):

PBATT(Class-AB)= VBATTx IBATT= 4.2V x 7.25 mA = 30.45 mW

就G类放大器而言,其电压轨均由一个开关式DC/DC转换器产生,供给功率取决于 DC/DC 转换器输出电压和效率。假设DC/DC转换器输出电压为1.3V,则计算方程式为:

PDD= VDD*IDD= 1.3v * 7.25mA = 9.425 mW

总供给功率为 DC/DC 转换器输出功率除以 DC/DC 转换器效率。假设降压效率为90%,则向 G 类放大器提供的总功率为:

PBATT(Class-G) = PDD/90% = 11.09 mW

这时,相同条件下,相 AB类放大器,G类耳机放大器吸取的功率少了约3倍。功耗的降低程度与 VBATT/VDD成正比例关系。在我们的举例中,其为 (4.2/1.3)*转换器-效率 = (4.2/1.3)*0.9 = ~3

电池省电情况如图4所示。这里,我们使用由一块锂离子电池供电的完全相同的音频输入,对比两个AB类和G类耳机放大器。正如我们所观察到的那样,相比AB类放大器(70 小时),G 类耳机放大器的电池使用时间(150小时)长了2倍多。对使用便携式音频设备的终端用户来说,这就意味着更长的音乐播放时间和通话时间。

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图4 电池放电曲线表明G类放大器比AB类放大器拥有更长的工作时间

总之,G类音频放大器拓扑是AB类拓扑的一种改版,其拥有自适应电源,可随音频源而变化。这种拓扑结构降低了功耗,提高了效率,从而为使用G类放大器拓扑的耳机带来更长的电池使用时间。

参考文献
· TPA6140A2 G 类放大器的更多详情以及产品说明书的下载和样片订购,请访问: www.ti.com.cn/tpa6140a2。
· 了解所有 TI 音频解决方案,请访问:http://ti.com.cn/audio。

作者:ShreHarsha Rao,德州仪器 (TI) 便携式音频产品营销经理
文章内容仅供参考 (投稿) (6/22/2011)
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