Cirrus Logic: 升壓放大器讓設備兼具小身材和大音量

本文作者：Cirrus Logic 市場營銷部 Kurt Efaw

音樂和娛樂在我們的生活中無處不在。傳統的外置音響設備已經在過去的100多年給消費者帶來了極佳的體驗，從早期的電影娛樂到露天搖滾音樂會，再到家庭影院，這些都是消費者從大型娛樂設備得到的優良體驗.
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但是對于當今的移動消費者而言，他們需要小尺寸設備也能提供響亮的音頻效果。在虛擬現實耳機上玩視頻游戲現已司空見慣，消費者使用增強現實太陽鏡、可穿戴式頸帶或藍牙揚聲器收聽音樂，這些設備小巧便捷可以放進口袋之中。以前的“靜音”設備或充其量能提供平平音頻效果的設備現被集成到智能家居中被重新構想。諸如恒溫器、家庭保安攝像頭和電視遙控器之類的簡單設備現都配備了麥克風和揚聲器，聽從語音指示并響應用戶。通過集成揚聲器和麥克風，即使是智能手表這樣最小體積的連接設備也可以提供差異化，用戶無需智能手機即可進行語音通話。
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隨著設備尺寸變得越來越小，電源也隨之變小。鋰電池因其使用壽命長和充電時間短而備受歡迎。例如通過USB連接的5伏電源也是一種流行的標準。但是這些電源能提供響亮的音頻效率嗎？在大多數情況下，答案是否定的。例如，使用標準的3.7 V鋰離子作為電源，驅動典型8Ω揚聲器的高效放大器則提供不到1瓦的電能。當電池電量不足或電池老化時，電池電壓會降低，而電池阻抗則會增加2-3倍。如圖1所示，這將導致傳遞到揚聲器的輸出功率更少。為什么不只使用低阻抗揚聲器呢？因為這將不僅增加輸出功率，還會在放大器和揚聲器之間的走線或電纜上造成更高的負載電流和更大的功率損耗。（參見圖2）。

圖1

圖2
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升壓音頻放大器的重要性與日俱增
用戶希望音樂效果響亮，同時也希望電池壽命長且設備小巧可以隨身攜帶。設計人員如何才能在不浪費電源或空間、并不浪費資金的情況下將優質音頻表現整合到他們的系統中？其實有一個簡單的答案，那就是升壓放大器。這些小巧的設備將DC-DC升壓調節器和高效的D類音頻放大器集成在一個小封裝中，并具有四大主要優點：

??音量更為響亮?–?與非升壓系統相比，升壓功放系統能提供更高的輸出電平。
??效率?– 通過將升壓和輸出級緊密耦合在一個集成控制回路中，與帶獨立DC-DC升壓和放大器的兩芯片解決方案相比，升壓放大器具有更高的效率（η?= η_boost*η_amplifier）。
??尺寸和成本?– 與帶獨立放大器和升壓轉換器的兩芯片系統相比，這一解決方案的尺寸更小，而且通常價格較低。典型的智能手表PCB尺寸可能約為3 in²，其中大部分都由處理器和無線通信模塊這樣的關鍵組件占據。在此類應用中，最大化響度不能以犧牲尺寸為代價，而是需要高度集成的解決方案。
???簡單性?– 集成兩個功能組塊可簡化系統集成，包括減少引腳數，減少PCB走線和減少元器件。

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并非所有的升壓放大器都一樣。架構已發展演變為增加電壓、輸出功率和效率。G類配置提供兩個或三個不同的升壓輸出電壓電平。升壓轉換器會根據音頻內容自動選擇所需的最小輸出電壓電平，以將轉換損耗降至最低。H類功放擁有更多級數的升壓電平，能夠細致地追隨包絡輸入音頻信號, 實現更高的效率（有關G類和H類升壓放大器的比較，請參見圖3）。即使在H類中，也并非所有升壓設計都是一樣的。重要的是要考慮升壓電壓跟蹤音頻包絡的速度和接近程度。例如，Cirrus Logic的CS35L41音頻放大器具有非?？焖俑櫟?1V H類升壓轉換器。它也是首批采用55nm工藝的升壓放大器之一，與130nm或180nm等較大的模擬放大器工藝相比，它可以將很多工藝封裝在一個較小的區域內，實現更緊密、更快的升壓轉換器控制環路。

圖 3

總而言之，與兩芯片解決方案相比，升壓放大器可以在低壓電源設備中為音頻提供最大的響度“提升”，電池壽命更長、尺寸更小、成本更低。 借助當今的升壓放大器，制造商可以在小空間內為消費者提供出色的音頻效果，同時最大限度地延長電池壽命。