不同功率的D类数字音频放大器应用前景探测

电子工程师 2019-02-07 626

音视频及家电

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关键词： D类 , 放大器 , 数字音频 , 应用前景

D类数字音频功率放大器具有小尺寸、高效率的优势。利用D类功率放大器可以设计出更小更薄和更有效率的电子产品，可延长便携式产品电池的使用时间，因此在业界普遍得到认可。手机、DVD、MP3和PMP等多媒体产品的普及，尤其加速了D类功率放大器在便携式电子产品中的使用。此外，利用其中功率免用散热片的特点，D类功率放大器尤其适合使用于LCD TV/ Monitor等薄型视讯产品。

以低功率，即1W"3W的多媒体功率放大器而言，在播放内容以音乐为主的状况下，AB类功率放大器与D类功率放大器的功率效率各约为15%及75%。由下表可知在播放1Watt音乐的状况下，AB类功率放大器需要消耗6.7Watts的功率，但D类功率放大器在同样的播放条件下只消耗1.33Watts。因此，使用D类功率放大器可延长电池的使用时间达5倍(6.7Watts/1.33Watts)。低功率的使用除了手机，DVD、MP3及PMP之外还有一些流行产品如iPod docking、手机docking、iPhone及数字相框。

以中功率，即10W"30W的LCD TV功率放大器而言，在播放内容以语音为主的状况下，AB类功率放大器与D类功率放大器的功率效率各约为25%及80%。由下表的算式可知在播放10Watts语音的状况下，AB类功率放大器需要消耗40Watts的功率，但D类功率放大器在同样的条件下播放只消耗12.5Watts。因此，使用D类功率放大器可降低LCD TV电源供应器的成本将近3倍(40Watts/12.5Watts)，且D类功率放大器所产生的2.5W的热可由一般功率封装及PCB设计即可处理。

功率放大器在LCD TV/Monitor的应用约可分为三个等级: 2.5W×2，6W×2及15W/20W×2。2.5W×2大多用在12英寸以下的LCD TV/Monitor；而31英寸以上则用15W/20W×2；中间尺寸的LCD TV/Monitor则大多使用6W×2。但厂商为了规格竞争常会升级规格，另有些娱乐或广告应用亦有以较大的功率放大器配合小尺寸LCD TV/Monitor。

一般厂商在计算功率时并不以声音内容做标准，而延用传统的弦波讯号当输入。如以弦波讯号而言AB类功率放大器与D类功率放大器的功率效率各约为45%及80%。如果以15W×2来计算D类功率放大器的总供应功率约为30W/80%=37.5W，AB类功率放大器的总供应功率约为30W/45%=66.7W，所以使用D类功率放大器可节省将近30W的功率。由于功率放大器的电源由电源器件所提供，因此电源器件的成本将可以大大降低。我们初步计算如下：电源器件的成本约为每一瓦0.1美金，以这案例而言电源器件的成本可节省0.1美金×30=$3美金。故以BOM表成本而言D类功率放大器可节省总成本，这还不包括电源器件及功率放大器散热的处理成本及散热空间的需求。

各种D类音频放大器的市场前景探测

过去数年来D类功率放大器的市场以曲线成长，其将逐渐取代AB类功率放大器并在新产品的设计取得优势。据第三方数据显示，全球D类放器的营收将从2006年的4千万美元上升到2008年的12亿美元。

D类功率放大器急于攻占的市场以低功率而言在手机相关产品；对中功率而言则在于LCD TV。全球手机及LCD TV的出货量仍在快速成长中，D类功率放大器将随着此两大类产品而成长。

低功率D类数字功率放大器由于高效率或低耗电的特性其在各种可携式产品的应用逐渐普及，此外中功率D类数字功率放大器由于免用散热片及考虑电源供应器的成本，其在LCD TV等薄型电视市场必将逐渐增加。

高功率，即100W"200W的D类数字功率放大器在汽车音响亦将占有一席之地，在此高功率之下D类功率放大器仍免不了使用散热片，但散热面积与散热量比AB类功率放大器所需的要小，由于高效率的原因，D类功率放大器可以在不启动汽车引擎的状况下有较长的使用时间而不消耗太多电瓶(Battery)的电量。
D类面临的挑战

D类功率放大器在设计上必须要注意的包括过电流保护及过热保护，此二保护电路为功率IC或功率放大器所必备，否则将造成安全问题，甚至伤及其所连接之电源器件或整个系统。过电流保护或短路保护的简单测试方式乃将任一输出端与电源端(Vcc)或地端(Ground)短路，在此状况下短路保护电路将被启动而将输出晶体管关掉，此时将没有讯号驱动喇叭而没有声音输出。由于输出短路是属于一种严重的异常现象，在短路之后要回到正常的操作状态必需重置(Reset)放大器，有些IC则可在某一延迟(Delay)时间后自动恢复。详阅各IC的datasheet 即可得知各家各产品不同的作法。至于过热保护，其保护温度通常设定在150℃"160℃，过热后IC自动关掉输出晶体管而不再送出讯号，待温度下降20℃或30℃之后自动回复到正常操作状态。

另外D类功率放大器必须要解决AB类功率放大器所没有的EMI电磁干扰，电磁干扰是由于D类功率放大器之功率晶体管以开关方式操作，在高速开关及大电流的状况下所产生。在大多数的市场要求下此项EMI干扰必须通过FCC等电磁干扰的规范，解决的方案是使用LC滤波器或磁珠(bead)滤波器以过滤其高频谐波。在此规范下EMI成为D类一个进入门坎之一，中高功率的D类功率放大器因为EMI太强目前采用LC滤波器来解决，小功率则用Bead处理即可，但通常还要配合PCB layout及零件的摆设位置。

比如，采用D类放大器后，D类放大器接扬声器的线路不能太长，这会相当于外接了一个天线。一些公司的D类放大器仅可支持2cm，做得好的D类放大器则可支持到10cm，比如TI的D类放大器。

目前，市场上有些PDA和智能手机的做法是采用两个单声道的D类，这样设计更简单一些，而采用立体声D类设计更因难，这也是后者为什么销售状况不是很好的主要原因。

D类功率放大器的高效率效应除了节省电源件器的成本以外亦节省电源的浪费或电池的消耗，优化了整个材料系统及使用环境。尤其欧美国家特别重视绿色环保，就如同高功因控制器(PFC)一样，D类功率放大器有可能成为一种诉求。虽然目前D类放器的价格比AB类要高出近50%多，但是，随着D类产品的上量，价格差别会逐渐消除。

震一科技(TaiMEC)目前的D类功率放大器由TMPA2155DS的2.5W×2到TMPA420DS 15W×2，涵盖目前从手机到LCD TV/Monitor的需求。部分低功率放大器如TMPA208DS及TMPA218DS并加上音量控制的功能，另还有单芯片2.1声道如TMPA421DS 6Wx2+15W以方便使用及降低成本。

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