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标题: 由微型升压转换器供电的便携式、高保真立体声音频 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 08:08
标题: 由微型升压转换器供电的便携式、高保真立体声音频
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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