輸出功率與電源電壓
音頻功率放大器在使用時有時為了遷就電源電壓或負載的阻抗而限制了最大輸出功率。由于P=V2/R，因此在既定的電源電壓之下如果要提升輸出功率，只能降低負載的阻抗，在既定負載阻抗之下如果要提升輸出功率只能提升電源電壓。提升D類音頻功率放大器輸出功率的方法除了選用高效率的芯片之外，在應(yīng)用中也有一些方法可考慮使用。
如果D類音頻功放的效率是85%而芯片的封裝可以散熱2W，則這個功放可以輸出大約11.4W的功率,即11.4/(11.4+2)=85%。通常，TSSOP20(EP)的封裝配合適當?shù)腜CB布局在環(huán)境溫度70度時可散熱2W，所以這個封裝可以用于D類音頻功放每聲道5.7W的立體音響。一般5V電源使用的D類音頻功放的規(guī)格都定為5V及4Ω，但使用時并不一定如此。例如使用4顆干電池時初始電壓約6.5V，使用一小段時間后降至6V附近，然后緩慢下降一直到電力消耗到某一程度。另外有些4Ω喇叭的直流電阻低至3.2Ω，為了規(guī)范的一致性，功率放大器的供貨商常以電阻作為標準負載以標示芯片的輸出功率或其它特性，所以對應(yīng)用而言6V及3Ω負載電阻也是一個常用的條件。
圖1：輸出功率與電源電壓的關(guān)系曲線圖。
輸出功率與負載電阻
從提升輸出功率的角度而言，由于輸出功率與電壓成平方正比，即P∝V2，因此電源電壓由5V提升到6V時輸出功率可以提升1.44倍即(6V/5V) 2 = 1.44。以TMPA3155DS或TMPA3156DS為例，在5V及4Ω時每聲道可以輸出3W，但在6V及4Ω時每聲道可輸出4.45W或立體聲共8.9W，輸出功率提升了4.45W/3W = 1.48倍，略大于理論值1.44倍。
圖2：輸出功率與負載的關(guān)系曲線圖。
由于輸出功率與負載電阻成反比，即P∝(1/R)，因此阻抗由4Ω降為3Ω時輸出功率可以提升1.333倍即4V/3V = 1.333。所以測試條件由5V及4Ω變?yōu)?V及3Ω時，輸出功率可提升1.92倍即1.44×1.333 = 1.92。以TMPA3056DM或TMPA3058DM為例，在5V及4Ω時可輸出3.1W但在6V及3Ω時可輸出5.3W，輸出功率提升了5.3W/3.1W = 1.71倍，小于理論值1.92倍。
從以上實例可以發(fā)現(xiàn)，工作電壓的提升可有效提高輸出功率，如TMPA3155DS/TMPA3156DS由5V及4Ω變成6V及4Ω時輸出功率提升了1.48倍，但負載電阻的降低配合電壓的提升并不能使輸出功率按比例增加，如TMPA3056DM/TMPA3058DM由5V及4Ω變成6V及3Ω時，輸出功率僅提升1.71倍。這是由于輸出晶體管接不同的負載會有不同的效率。例如Rds(on)為0.4Ω而負載是4Ω，則輸出晶體管的直流效率是4Ω/(4Ω+0.4Ω)= 91%。但同樣當Rds(on)是0.4Ω，對3Ω負載而言直流效率為3Ω/(3Ω+0.4Ω)= 88.23%。此外，3Ω阻抗所造成電流的增加也會提高Rds(on)值而使輸出晶體管的直流效率更差。Rds(on)值與負載的關(guān)系如圖3。
圖3：汲極的電流與電壓曲線圖。
汲極的電流ID與汲極的電壓VDS的關(guān)系為
ID = K[(VGS – VT)VDS – 0.5VDS2]
因此 ID/VDS = K[(VGS – VT) – 0.5VDS]
Rds(on) = VDS/ID = 1/{K[(VGS – VT) – 0.5VDS]}
由汲極的電流與電壓曲線圖可知，如果負載線由4Ω改為3Ω則汲極的電流及電壓由(ID1, VDS1)變?yōu)?ID2, VDS2)。因為VDS由VDS1增加為VDS2，依上述Rds(on)計算公式，當VDS增加時Rds(on)也對應(yīng)增加，從而使輸出晶體管的直流效率更差。
另外溫度效應(yīng)是一個不太容易測量的因素，但在高溫時溫度效應(yīng)會有很大影響。由于上述芯片的輸出晶體管效率高，溫度效應(yīng)較不明顯，例如Rds(on)因為溫度上升而由0.4Ω提升1.5倍至0.6Ω，在4Ω負載的狀況下，輸出晶體管直流效率由4Ω/(4Ω+0.4Ω) = 91%降至4Ω/(4Ω+0.6Ω) = 87%。但是如果原本輸出晶體管的效率不高，如Rds(on)原來是0.6Ω，但由于溫度上升，Rds(on)由0.6Ω提升1.5倍至0.9Ω時，輸出晶體管直流效率由4Ω/(4Ω+0.6Ω) = 87%降至4Ω/(4Ω+0.9Ω) = 81.6%。實際上，Rds(on)較高使效率變差而產(chǎn)生較多的熱，造成溫度上升，由于VT與溫度成正比，溫度上升會VT增大導(dǎo)致Rds(on)上升，進而使得效率下降幅度更大。因此，降低負載電阻對功率的提升會因為直流效率變差使溫度效應(yīng)更明顯而無法達到預(yù)期的目標。
以上得出的結(jié)論是：在應(yīng)用中要提升輸出功率時，提升工作電壓比降低負載電阻有效，不僅輸出功率與工作電壓成平方正比，而且可以維持輸出晶體管與負載電阻的相對效率及較低的溫度效應(yīng)。但是提升工作電壓時要確認芯片對于高電壓及高電流的承受程度，供貨商的產(chǎn)品手冊會有詳細標示。基于可靠度的考慮，驗證的時候需提高測試條件以確保應(yīng)用的容許度及產(chǎn)品的生命周期。
實例一：降低負載的阻抗以提升輸出功率
使用5V(6V)電源及T3155DS/T3156DS設(shè)計輸出功率為6W(7.8W)的單聲道音頻功放。
將立體聲功放的輸入端并聯(lián)及輸出端并聯(lián)(如圖4)，可以降低50%的輸出阻抗，所以此輸出端可以以同樣的效率推動1/2的負載電阻而提升輸出功率。
由公式P=V2/R，可知輸出功率與負載電阻成反比，所以降低負載電阻可以提升輸出功率。圖4的接線方式可使功放芯片用同樣的效率推動減半的負載電阻而使輸出功率得以直接套用P=V2/R的公式。T3155DS/T3156DS在5V/4Ω下可輸出每聲道3.02W，但是如果如圖1并聯(lián)使用則可在5V/2Ω時輸出每聲道6W的功率。如果電源電壓提升到6V時可以輸出7.8W的功率。由于外接輸入電阻不對稱或芯片的差異可能導(dǎo)致輸出端在切換時發(fā)生短路保護，輸出端需要以LC濾波器隔離。電源的電解電容為1000uF或更高。
圖4：使用5V(6V)電源及T3155DS/T3156DS設(shè)計輸出功率為6W(7.8W)的單聲道音頻功放。
如果5V/2Ω可以輸出6W的功率，則6V/2Ω應(yīng)該可以輸出(6V/5V)2=1.44倍的功率，亦即6W×1.44=8.64W，但實際輸出只有7.8W。功率減少的部份主要是由于輸出LC濾波器電感的直流電阻所消耗。T3155DS/T3156DS在5V/4Ω每聲道輸出3.02W，輸出是使用BEAD，直流電阻較低。
圖5：降低負載電阻可以提升輸出功率。
實例二：提升電源電壓以提升輸出功率
使用兩個串接的鋰電池及TMPA3056DM/TMPA3058DM設(shè)計輸出功率為5W的音頻功放。
由公式P=V2/R可知，輸出功率與電源電壓的平方成正比。所以提升電源電壓可以平方倍的提升輸出功率。圖6的接線方式是使用兩個串接的鋰電池提升電源電壓。三個二極管(1N4001)用來降低鋰電池的電壓至功放芯片的額定電壓。
圖6：使用兩個串接的鋰電池及TMPA3056DM/TMPA3058DM設(shè)計輸出功率為5W的音頻功放。
TMPA3056DM/TMPA3058DM關(guān)機時最高耐壓為7V，正常工作時最高耐壓為6.5V。點亮LED的電流在三個1N4001二極管產(chǎn)生大約1.8V的壓降，所以電源電壓由兩個串接鋰電池的7.2V~8.2V降低至5.4V~6.4V，小于正常工作的最高耐壓6.5V。為維持低音的硬朗度，電源電解電容建議使用2200uF。如需要每聲道5W的立體功放，可以使用兩個單聲道的功放芯片并共享電源Vdd。如果使用上述方法及一個立體聲功放芯片TMPA3155DS 或TMPA3156DS，在6V及4?時每聲道可輸出4.45W。 |
