為音頻放大器設計電源時(shí)必須特別考慮。與標準隔離電源相比，音頻信號的非線(xiàn)性特性帶來(lái)了不同的設計挑戰。此電源提示涵蓋了為音頻應用設計半橋 LLC 串聯(lián)諧振轉換器 (HB LLC-SRC) 的必備知識。

音頻電源

您在廣泛的電氣工程領(lǐng)域發(fā)現的一件事是，不同的行業(yè)甚至公司可能會(huì )使用不同的語(yǔ)言來(lái)描述同一主題。對于成功的設計，電源和音頻工程師必須相互了解。

首先需要定義的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是峰值功率和連續功率。峰值功率是ZD瞬時(shí)音頻功率。它將決定為物理輸出的電源設計多少功率。連續功率是一段時(shí)間內平均的音頻功率。在電源設計的背景下，連續功率是系統在不超過(guò)組件溫度或平均電流額定值的情況下可以提供的指定輸出功率。圖 1提供了峰值和連續音頻電平的示例。它們與波峰因數相關(guān)，波峰因數是波形峰值與均方根 (RMS) 值之比的度量。

圖1 此圖顯示了連續和峰值功率音頻電平。

它也可以用以下等式以分貝表示：

計算音頻電平的公式

RMS 在音頻功率方面用詞不當，因為該值在技術(shù)上不是功率波形的計算 RMS 值�？梢詫�(xiě)另一篇關(guān)于如何指定音頻放大器的復雜性的文章。了解額定放大器功率水平的行業(yè)標準不一定明確電源要求在峰值和連續功率方面是什么。

例如，考慮用于 400W 音頻放大器的 LLC 串聯(lián)諧振轉換器 (LLC-SRC) 設計。如果沒(méi)有音頻系統的先驗知識，您就可以設計出出色的 400 W 電源。但是當需要為放大器加電時(shí)，電源出現故障，或者音頻質(zhì)量很差。LLC 轉換器增益曲線(xiàn)通常根據ZD負載進(jìn)行設計，并在ZX線(xiàn)路條件下在串聯(lián)諧振頻率附近工作。這種方法通常會(huì )產(chǎn)生完美的 400-W LLC-SRC，但在實(shí)際音頻系統中，峰值功率實(shí)際上會(huì )大于放大器的 400-W 額定值。在開(kāi)始電源設計之前，至少應指定連續功率和峰值功率。

對于 400 W 放大器示例，消費類(lèi)產(chǎn)品播放壓縮音樂(lè )的適當功率水平可以是 200 W 的連續功率和 800 W 的峰值功率，持續 15 毫秒。這代表 12 dB 的波峰因數，這是處理音樂(lè )的典型值。未處理的音頻大約為 18-20 dB，電影音頻可能大于 20 dB。Z終，峰值功率與連續功率之比取決于具體應用，因此在設計過(guò)程的早期明確定義這些非常重要。不同負載水平的持續時(shí)間要求也有助于優(yōu)化設計。請記住，需要考慮音頻放大器的效率，因為放大器中會(huì )有損耗，從而導致電源負載更高。

LLC-SRC設計

規格確定后，您可以繼續進(jìn)行電源設計。根據地區和應用的電源質(zhì)量標準，您可能需要一個(gè)功率因數校正 (PFC) 電源來(lái)進(jìn)行這種功率級別的設計。PFC 前端將提供穩定的 400VDC 總線(xiàn)，用作 LLC-SRC 的輸入。

與大多數諧振轉換器一樣，設計 LLC-SRC 的DY步是選擇諧振回路組件。這將設置諧振頻率并塑造增益曲線(xiàn)。在這一步，確保輸出電壓可以達到峰值功率水平。如果諧振回路不能達到所需的增益，則輸出電壓將在音頻峰值下降，從而降低音頻質(zhì)量或關(guān)閉放大器。對于輸出電容器而言，峰值功率持續時(shí)間要求通常太長(cháng)，無(wú)法保持輸出電壓，因此電源需要能夠實(shí)際提供整個(gè)峰值負載。

在峰值增益上增加一些額外的空間。變壓器結構的物理限制并不總是達到確切的匝數或電感數。對于需要達到高峰值功率的音頻設計，使用分立諧振電感器來(lái)確保更JQ的諧振和磁化電感是有利的。

在峰值功率下，選擇額定處理峰值電流的組件很重要。在設計磁性元件時(shí)，請確保它們不會(huì )飽和。在連續功率下，重要的是根據連續熱性能選擇組件和封裝。設計人員可以縮小一些封裝的尺寸，并使用 PCB 進(jìn)行熱管理而不是散熱器。

與任何 LLC-SRC 一樣，增益曲線(xiàn)的整形是一個(gè)迭代過(guò)程。嘗試達到特定的工作頻率、諧振電流和電壓并在峰值和連續功率水平之間平衡設計是一項挑戰。在進(jìn)行計算時(shí)，您需要調整磁化電感、諧振電感、匝數比和諧振電容。100 kHz 是硅基設計的常見(jiàn)諧振頻率目標。對于音頻應用，連續功率工作點(diǎn)的目標頻率為 100 kHz 是有意義的。圖 2顯示了針對上述示例的增益曲線(xiàn)。工作頻率范圍為 83–139 kHz。

圖2 該增益曲線(xiàn)針對 LLC-SRC 設計進(jìn)行整形。

突發(fā)模式

現代 LLC-SRC 設計的一個(gè)重要方面是實(shí)現輕負載效率的突發(fā)模式操作。突發(fā)模式也用于滿(mǎn)足行業(yè)待機電源規定。當突發(fā)數據包頻率在可聽(tīng)噪聲范圍內時(shí)，可聽(tīng)噪聲是一個(gè)問(wèn)題，但一些 LLC 諧振控制器（如UCC256404）使用突發(fā)模式控制法則來(lái)防止突發(fā)頻率產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲。這是三種方法，以及選擇它們的可能原因：

1.啟用突發(fā)模式：使用突發(fā)模式可在不關(guān)閉主輸出的情況下降低待機功耗。電源將立即提供給放大器，不會(huì )因電源啟動(dòng)而延遲。

2.禁用突發(fā)模式：在待機狀態(tài)下，轉換器需要使用標準開(kāi)關(guān)操作來(lái)調節輸出。這會(huì )降低輕負載效率，但可以降低復雜性并進(jìn)一步消除任何可聽(tīng)噪聲問(wèn)題，例如次級側整流器寄生效應對增益曲線(xiàn)的影響。圖 3顯示了增益曲線(xiàn)如何在更高頻率下實(shí)際開(kāi)始上升。如果無(wú)法達到ZX增益，電源將失去調節。

圖3 在禁用突發(fā)模式的情況下，增益曲線(xiàn)將在較高頻率下開(kāi)始上升。

外部控制器禁用：當音頻放大器未運行時(shí)，使用外部禁用電路關(guān)閉控制器。與突發(fā)模式相比，這進(jìn)一步降低了待機功耗，但由于系統現在需要輔助電源，因此增加了成本。當放大器準備好輸出音頻時(shí)，也會(huì )有一個(gè)啟動(dòng)延遲。

LLC-SRC 是一種高性能拓撲，適用于 100 到 500 W 之間的連續功率范圍。它是需要高效率和ZX電磁干擾 (EMI) 的 AC-DC 系統的出色拓撲。諧振轉換器設計具有足夠的挑戰性，即使在應用于復雜的音頻系統之前也是如此。DY步是電源工程師和音頻工程師之間就放大器所需的峰值和連續功率水平相互了解。將上述策略視為成功的 LLC-SRC 音頻應用設計的起點(diǎn)。