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由微型升壓轉換器供電的便攜式、高保真立體聲音頻
文章來源:永阜康科技 更新時間:2018/9/10 12:54:00
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      越來越多終端用戶渴望其便攜式器件除有普通的耳機立體聲輸出外,還能提供高質量的立體聲音頻。我們只需看看當今為便攜式應用優化的音頻放大器的規格,就會發現這些音頻放大器可以輕易地在電阻為8Ω的揚聲器中提供1W的功率,并具有卓越的保真性能。前提是放大器的偏置為5V,雖然這對一 般使用2~4節串聯鋰離子(Li+)電池(6~16.8V)的便攜式DVD播放器和筆記本電腦不構成問題,但是對更小的手持設備、多媒體器件如MP3播放器、智能電話卻是一個問題,因為它們在一節工作放電范圍內產生2.7~4.2V的鋰離子電池中工作。
       圖1 顯示了一個小型800mA
升壓轉換器對兩個最新的音頻放大器供電、達到更高功率便攜式立體聲音頻的電路。其中包含偵測電路,當立體聲耳機連接上音頻插孔 時,該電路從驅動主立體聲揚聲器自動進行轉換。最后,如果電池電壓處于合適的限制范圍內,它將在升壓轉換器中使用一個集成的低電量比較器啟動音頻放大器。

       為了獲得所需功率和保真度,首先必須建立音頻放大器的功能。圖2中的曲線顯示了輸出功率和輸入電壓之間的關系。此圖表明,通過將偏置電壓Vp從3V增加到 5V,所示放大器在高保真條件下(<0.01% THD) 輸出功率能力提高了300%。


       因此,對于1W單聲道設計,必須使用5V電源。然而,單節鋰電池供電的便攜式產品只有2.7~4.2V,而且電池電源在其放電周期提供3.6V的額定值。
       因此,必須采用電源在所需功率水平上提供5V電壓,升壓轉換器可以輕易將鋰離子電池電壓轉換為所需的5V。
       首先,必須視音頻放大器作為負載,以確定升壓轉換器的功率要求。電源、負載和輸出功率給定后,每個放大器中的功耗如下:
       Pd=√2·Rl·Pout/Rl×(2·Vp/π-√2·Rl·Pout/2)
       由于需要立體聲工作,所以功率計算中必須包括2倍的乘數。因此,對于Vp=5V, Rl=8 Ω, 和Pout=1W, Pd =1.183W同樣如此。音頻放大器的總功耗為3.183W ,這意味著升壓轉換器的輸出功率必須達到或最好超過這個值。NCP1422能在VBAT=3.6V和Vp=5V時達到800mA,此時輸出功率為4W,所 以首次檢查即可完成。
       鋰離子電池的大多數放電周期在 3.6~3.7V之間,所以升壓轉換器將那里設計為一個起始點。負載電流為Iout= Po/Vp=3.183/5=637mA。因此,必須用以下公式確定平均電感電流來設計電感。
       ILAVG=Iout/(1-D)=Iout/(1-(1-VBAT/Vp))=637/(1-(1-3.6/5))=884mA
       假設電感中存在20%的波紋電流,使用以下公式可以計算所需電感。導電時間tON在NCP1422數據表中的值為0.75μs。
       L=(VBAT×tON)/[2×(0.2×ILAVG)]=3.6×0.75/2×(0.2×884)=7.6μH
       這是個好的起始點。但是,對于本設計,由于輸入電壓變化不明顯,所以進行了幾次迭代,且采用帶有低ESR值的 6.8μH電感減小更大波紋電流的效應。
       最后,假設紋波電壓為50mVpp,輸出電容ESR為0.05Ω,通過以下設計公式可確定輸出電容C2的值。
       C2=(Iout×tON)/(Vripple-Iout×RESR)=(637×0.75)/(0.05-637×0.05)=26μH 
       因此,該設計使用33μF的輸出電容。
       除 驅動揚聲器外,便攜式音頻設備必須能驅動立體聲耳機,并且輕易地實現由揚聲器轉到耳機。NCP4896具有集成SE/BTL選擇引腳,該引腳可關閉或啟用 兩個內置放大器中的一個,從而使每個放大器均可驅動一個橋接負載(BTL)、8 Ω揚聲器或立體聲耳機的一個聲道作為一個單端(SE) 32 Ω 負載。圖1顯示了耳機偵測電路,包括RDET1-3、 CDET和帶有一個觸點腳的立體聲耳機插孔。如果沒有耳機,該觸點連接到其中一個聲道,并在插入耳機插頭時打開。RDET1/2 和CDET形成一個簡單的反跳電路,而且如果無耳機插入插孔,RDET3將HP_DET信號拉低。
       最后,NCP1422具有一個集成電池電壓過低偵測器。當存在電池且能夠驅動音頻放大器時,可使用此功能啟動這些放大器。如果電池電量較低或者電源斷開時,該偵測器也將自動關閉音頻放大器。電池過低輸出(LBO) 信號直接連接到NCP4896的關斷引腳。
       三 個集成電路所占面積為6mm2。所有外部元件(不包括插孔)所占面積約為32mm2。功率段(NCP1422、 L、 C1/2) 所占面積約為 14.5mm2,帶阻塞電容(Co1/2)的音頻放大器所占面積約為7.5mm2,而其余所有無源器件所占面積約為10mm2。
       本文所建議的設計讓設計人員將大功率、高質量的立體聲音頻添加到他們現有的手持器件中,而不需要串聯額外的電池。這也利用了每個集成電路的一些內置特性來消 除外部支持電路的需要。最后,功率和音頻段沒有占據很多空間,而且由于它們彼此分離,電路板設計人員有足夠的靈活性將解決方案用于現有的平臺之中。

 
 
 
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