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由微型升压转换器供电的便携式、高保真立体声音频
文章来源:永阜康科技 更新时间:2018/9/10 12:54:00
      越来越多终端用户渴望其便携式器件除有普通的耳机立体声输出外,还能提供高质量的立体声音频。我们只需看看当今为便携式应用优化的音频放大器的规格,就会发现这些音频放大器可以轻易地在电阻为8Ω的扬声器中提供1W的功率,并具有卓越的保真性能。前提是放大器的偏置为5V,虽然这对一 般使用2~4节串联锂离子(Li+)电池(6~16.8V)的便携式DVD播放器和笔记本电脑不构成问题,但是对更小的手持设备、多媒体器件如MP3播放器、智能电话却是一个问题,因为它们在一节工作放电范围内产生2.7~4.2V的锂离子电池中工作。
       图1 显示了一个小型800mA
升压转换器对两个最新的音频放大器供电、达到更高功率便携式立体声音频的电路。其中包含侦测电路,当立体声耳机连接上音频插孔 时,该电路从驱动主立体声扬声器自动进行转换。最后,如果电池电压处于合适的限制范围内,它将在升压转换器中使用一个集成的低电量比较器启动音频放大器。

       为了获得所需功率和保真度,首先必须建立音频放大器的功能。图2中的曲线显示了输出功率和输入电压之间的关系。此图表明,通过将偏置电压Vp从3V增加到 5V,所示放大器在高保真条件下(<0.01% THD) 输出功率能力提高了300%。


       因此,对于1W单声道设计,必须使用5V电源。然而,单节锂电池供电的便携式产品只有2.7~4.2V,而且电池电源在其放电周期提供3.6V的额定值。
       因此,必须采用电源在所需功率水平上提供5V电压,升压转换器可以轻易将锂离子电池电压转换为所需的5V。
       首先,必须视音频放大器作为负载,以确定升压转换器的功率要求。电源、负载和输出功率给定后,每个放大器中的功耗如下:
       Pd=√2·Rl·Pout/Rl×(2·Vp/π-√2·Rl·Pout/2)
       由于需要立体声工作,所以功率计算中必须包括2倍的乘数。因此,对于Vp=5V, Rl=8 Ω, 和Pout=1W, Pd =1.183W同样如此。音频放大器的总功耗为3.183W ,这意味着升压转换器的输出功率必须达到或最好超过这个值。NCP1422能在VBAT=3.6V和Vp=5V时达到800mA,此时输出功率为4W,所 以首次检查即可完成。
       锂离子电池的大多数放电周期在 3.6~3.7V之间,所以升压转换器将那里设计为一个起始点。负载电流为Iout= Po/Vp=3.183/5=637mA。因此,必须用以下公式确定平均电感电流来设计电感。
       ILAVG=Iout/(1-D)=Iout/(1-(1-VBAT/Vp))=637/(1-(1-3.6/5))=884mA
       假设电感中存在20%的波纹电流,使用以下公式可以计算所需电感。导电时间tON在NCP1422数据表中的值为0.75μs。
       L=(VBAT×tON)/[2×(0.2×ILAVG)]=3.6×0.75/2×(0.2×884)=7.6μH
       这是个好的起始点。但是,对于本设计,由于输入电压变化不明显,所以进行了几次迭代,且采用带有低ESR值的 6.8μH电感减小更大波纹电流的效应。
       最后,假设纹波电压为50mVpp,输出电容ESR为0.05Ω,通过以下设计公式可确定输出电容C2的值。
       C2=(Iout×tON)/(Vripple-Iout×RESR)=(637×0.75)/(0.05-637×0.05)=26μH 
       因此,该设计使用33μF的输出电容。
       除 驱动扬声器外,便携式音频设备必须能驱动立体声耳机,并且轻易地实现由扬声器转到耳机。NCP4896具有集成SE/BTL选择引脚,该引脚可关闭或启用 两个内置放大器中的一个,从而使每个放大器均可驱动一个桥接负载(BTL)、8 Ω扬声器或立体声耳机的一个声道作为一个单端(SE) 32 Ω 负载。图1显示了耳机侦测电路,包括RDET1-3、 CDET和带有一个触点脚的立体声耳机插孔。如果没有耳机,该触点连接到其中一个声道,并在插入耳机插头时打开。RDET1/2 和CDET形成一个简单的反跳电路,而且如果无耳机插入插孔,RDET3将HP_DET信号拉低。
       最后,NCP1422具有一个集成电池电压过低侦测器。当存在电池且能够驱动音频放大器时,可使用此功能启动这些放大器。如果电池电量较低或者电源断开时,该侦测器也将自动关闭音频放大器。电池过低输出(LBO) 信号直接连接到NCP4896的关断引脚。
       三 个集成电路所占面积为6mm2。所有外部元件(不包括插孔)所占面积约为32mm2。功率段(NCP1422、 L、 C1/2) 所占面积约为 14.5mm2,带阻塞电容(Co1/2)的音频放大器所占面积约为7.5mm2,而其余所有无源器件所占面积约为10mm2。
       本文所建议的设计让设计人员将大功率、高质量的立体声音频添加到他们现有的手持器件中,而不需要串联额外的电池。这也利用了每个集成电路的一些内置特性来消 除外部支持电路的需要。最后,功率和音频段没有占据很多空间,而且由于它们彼此分离,电路板设计人员有足够的灵活性将解决方案用于现有的平台之中。

 
 
 
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