音频放大器的LLC设计相关注意事项说明

    为音频放大器设计电源时必须特别考虑。与标准隔离电源相比，音频信号的非线性特性带来了不同的设计挑战。此电源提示涵盖了为音频应用设计半桥 LLC 串联谐振转换器 (HB LLC-SRC) 的必备知识。

    音频电源

    您在广泛的电气工程领域发现的一件事是，不同的行业甚至公司可能会使用不同的语言来描述同一主题。对于成功的设计，电源和音频工程师必须相互了解。

    首先需要定义的两个术语是峰值功率和连续功率。峰值功率是ZD瞬时音频功率。它将决定为物理输出的电源设计多少功率。连续功率是一段时间内平均的音频功率。在电源设计的背景下，连续功率是系统在不超过组件温度或平均电流额定值的情况下可以提供的指定输出功率。图 1提供了峰值和连续音频电平的示例。它们与波峰因数相关，波峰因数是波形峰值与均方根 (RMS) 值之比的度量。

    图 1此图显示了连续和峰值功率音频电平。

    它也可以用以下等式以分贝表示：

    计算音频电平的公式

    RMS 在音频功率方面用词不当，因为该值在技术上不是功率波形的计算 RMS 值。可以写另一篇关于如何指定音频放大器的复杂性的文章。了解额定放大器功率水平的行业标准不一定明确电源要求在峰值和连续功率方面是什么。

    例如，考虑用于 400W 音频放大器的 LLC 串联谐振转换器 (LLC-SRC) 设计。如果没有音频系统的先验知识，您就可以设计出出色的 400 W 电源。但是当需要为放大器加电时，电源出现故障，或者音频质量很差。LLC 转换器增益曲线通常根据ZD负载进行设计，并在ZX线路条件下在串联谐振频率附近工作。这种方法通常会产生完美的 400-W LLC-SRC，但在实际音频系统中，峰值功率实际上会大于放大器的 400-W 额定值。在开始电源设计之前，至少应指定连续功率和峰值功率。

    对于 400 W 放大器示例，消费类产品播放压缩音乐的适当功率水平可以是 200 W 的连续功率和 800 W 的峰值功率，持续 15 毫秒。这代表 12 dB 的波峰因数，这是处理音乐的典型值。未处理的音频大约为 18-20 dB，电影音频可能大于 20 dB。Z终，峰值功率与连续功率之比取决于具体应用，因此在设计过程的早期明确定义这些非常重要。不同负载水平的持续时间要求也有助于优化设计。请记住，需要考虑音频放大器的效率，因为放大器中会有损耗，从而导致电源负载更高。

    LLC-SRC设计

    规格确定后，您可以继续进行电源设计。根据地区和应用的电源质量标准，您可能需要一个功率因数校正 (PFC) 电源来进行这种功率级别的设计。PFC 前端将提供稳定的 400VDC 总线，用作 LLC-SRC 的输入。

    与大多数谐振转换器一样，设计 LLC-SRC 的DY步是选择谐振回路组件。这将设置谐振频率并塑造增益曲线。在这一步，确保输出电压可以达到峰值功率水平。如果谐振回路不能达到所需的增益，则输出电压将在音频峰值下降，从而降低音频质量或关闭放大器。对于输出电容器而言，峰值功率持续时间要求通常太长，无法保持输出电压，因此电源需要能够实际提供整个峰值负载。

    在峰值增益上增加一些额外的空间。变压器结构的物理限制并不总是达到确切的匝数或电感数。对于需要达到高峰值功率的音频设计，使用分立谐振电感器来确保更JQ的谐振和磁化电感是有利的。

    在峰值功率下，选择额定处理峰值电流的组件很重要。在设计磁性元件时，请确保它们不会饱和。在连续功率下，重要的是根据连续热性能选择组件和封装。设计人员可以缩小一些封装的尺寸，并使用 PCB 进行热管理而不是散热器。

    与任何 LLC-SRC 一样，增益曲线的整形是一个迭代过程。尝试达到特定的工作频率、谐振电流和电压并在峰值和连续功率水平之间平衡设计是一项挑战。在进行计算时，您需要调整磁化电感、谐振电感、匝数比和谐振电容。100 kHz 是硅基设计的常见谐振频率目标。对于音频应用，连续功率工作点的目标频率为 100 kHz 是有意义的。图 2显示了针对上述示例的增益曲线。工作频率范围为 83–139 kHz。

    图 2该增益曲线针对 LLC-SRC 设计进行整形。

    突发模式

    现代 LLC-SRC 设计的一个重要方面是实现轻负载效率的突发模式操作。突发模式也用于满足行业待机电源规定。当突发数据包频率在可听噪声范围内时，可听噪声是一个问题，但一些 LLC 谐振控制器（如UCC256404）使用突发模式控制法则来防止突发频率产生的可听噪声。这是三种方法，以及选择它们的可能原因：

    启用突发模式：使用突发模式可在不关闭主输出的情况下降低待机功耗。电源将立即提供给放大器，不会因电源启动而延迟。

    禁用突发模式：在待机状态下，转换器需要使用标准开关操作来调节输出。这会降低轻负载效率，但可以降低复杂性并进一步消除任何可听噪声问题，例如次级侧整流器寄生效应对增益曲线的影响。图 3显示了增益曲线如何在更高频率下实际开始上升。如果无法达到ZX增益，电源将失去调节。

    禁用突发模式的增益图

    图 3在禁用突发模式的情况下，增益曲线将在较高频率下开始上升。

    外部控制器禁用：当音频放大器未运行时，使用外部禁用电路关闭控制器。与突发模式相比，这进一步降低了待机功耗，但由于系统现在需要辅助电源，因此增加了成本。当放大器准备好输出音频时，也会有一个启动延迟。

    LLC-SRC 是一种高性能拓扑，适用于 100 到 500 W 之间的连续功率范围。它是需要高效率和ZX电磁干扰 (EMI) 的 AC-DC 系统的出色拓扑。谐振转换器设计具有足够的挑战性，即使在应用于复杂的音频系统之前也是如此。DY步是电源工程师和音频工程师之间就放大器所需的峰值和连续功率水平相互了解。将上述策略视为成功的 LLC-SRC 音频应用设计的起点。