如何设计高能效的便携设备
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如今，移动电话和便携设备的功能越来越全面，移动电话已经集多媒体回放、数码相机和PDA等多种功能于一体。便携式多媒体播放器(PMP)集合了导航系统、媒体播放器、全球卫星定位系统和数字电影等多种功能。所有便携式娱乐设备都将具备MP3和MP4播放、全球卫星定位系统、电视、游戏和网页浏览等功能。可是最终，消费者更关注的还是这些设备的音质，因为音质往往是决定产品成败的一个重要因素。某些制造商甚至会在一个系统中放置多个扬声器以改善音质和提高音量。
节能是设计便携式设备面临的挑战之一，对于采用电池供电的设备更是如此。由于很多设备需要改善音质和提高音量，多扬声器设计已变得越来越普遍。在以往的单扬声器设计中，只需一个功率放大器来驱动一个扬声器。在多扬声器设计中，工程师必须使用两个音频功率放大器来驱动多个扬声器，功率损耗就是之前的两倍，还必须考虑功率放大器所产生的热量。典型AB类音频功率放大器的功率效率为40％～50％，功率损耗较高(换言之，即能效较低)。能效通常为衡量音频功率放大器散热能力的参数。为了改进AB类音频放大器的低能效，我们推出了D类音频放大器技术，其能效可达80％以上。
D类放大器的基本原理是提供一个小模拟信号输入，功率放大器内部的调制器将该模拟信号转化为数字信号，如PWM或PCM(取决于设备采用何种调制技术)。可是，转化后的数字信号很微弱。因此在模拟信号转化为数字信号后，采用桥式放大器来放大数字信号的振幅，这个高振幅的数字信号经无源LC滤波器转化为模拟输出。更多的信号转化细节如图1所示。
图中为一款典型的PWM调制D类放大器的构造，其中包含PWM调制器。图中的H桥模块为数字信号放大器，其功能等同于一个电平移位器。放大器与扬声器之间的最终输出级为一个无源LC低通滤波器(LPF)，如图2所示。
图中电路为典型的无源LC低通滤波器电路。两个电感器并联在功率放大器和扬声器之间。当功率放大器开始工作时，将会有强电流流过这两个电感器，因此必须用较大尺寸的电感器。但是考虑到便携设备对PCB面积的限制，不能同时采用两个大体积的电感器。此外，外部的三个电容也占去很大的面积。
为了避免使用输出滤波器，美国国家半导体特别推出了一系列无滤波器的D类放大器，可灵活地运用于单声道(如LM4671，LM4673，LM4675和LM483 10)和双声道(如LM4674，LM48410和LM48411)设备中。
无滤波器的D类放大器的工作原理是将一个动圈式扬声器用作变频器。音频放大器典型换能器负载电抗性(电感性)很强。因此，该扬声器负载可作为自身的滤波器。取消了输出滤波器后，功率放大器的输出波形将比较活跃，可能会辐射或传导到系统中的其它元件，并造成干扰。因此，应尽量缩短功率放大器和输出间的连线，并妥善屏蔽其干扰。
便携设备中的EMI是比较敏感的问题，而以往在D类产品中只使用固定频率技术。如图3所示，固定频率D类放大器输出在固定的300kHz开关频率下进行切换，图中的输出频谱包含有基波和相关的谐波。更好解决这些EMI问题的方案之一是扩展频谱技术。在扩展频谱模式下，开关频率以300kHz为中心频率，在其上下30％比例范围内随机变化，这种方法降低了宽频带的频谱部分，从而有效降低了由扬声器及其相关电缆和连线发射出来的EMI辐射。与开关频率技术相比较，固定频率D类放大器所产生的频谱能量是前者的几倍。如图4所示，扩展频谱体系将相同的能量分布到较大的带宽上。此外，开关周期的循环变化不会对音频再现、效率或电源纹波抑制比(PSRR)造成影响。
采用这项新技术后，设备制造商生产的产品将更容易通过EMI检测。图5为采用了3英寸电缆的立体声扬声器LM48410的EMI检测报告。从图中可以看出，器件以至少6dB的余量通过了FCC的EMI检测。
图6为LM48410产品应用电路简图。
LM48410主要应用于扬声器方面，它不具备耳机输出。该产品有四种增益供客户选择，即6dB、12dB、18dB和24dB。表1为增益设置的真值表。
降低EMI的方法
如果PcB设计比较合理，抗EMI性能也会得到改进。从功率放大器的输出到扬声器之间的连线最有可能将EMI带到其它电路。由于大多数D类音频放大器都采用BTL架构以增加输出功率，因此设计中包含有两个具备开关频率的扬声器输出。以下为PCB设计时应遵循的一些规则：
1 将两个扬声器的连线并排布置，类似差分线对；
2 在PCB内层上布扬声器输出连线，用接地层将其屏蔽在上层和下层之间。类似于RF屏蔽；
3 尽量缩短从设备到扬声器的连线，并使用双绞线以降低EMI。
外部元件的选择
在音频源为单端的某些应用中，需要采用输入电容，以阻隔音频信号中的直流部分，从而消除音频源中的直流部分与LM48410偏置电压之间的冲突。配合输入电阻RIN。后，输入电容可作为高通滤波器使用。使用以下公式得到高通滤波器的-3dB点。
f=1/2πRINCIN
表2中的RIN值作为计算输入电容值的参考。
输入电容也可用来消除音频信号中的低频部分。小型的扬声器无法重生低频信号，甚至可能被低频信号损坏。使用高通滤波器过滤音频信号有助于保护扬声器。
当LM48410被配置成单端信号源时，接地的电源噪声被视为一个输入信号。将高通滤波器的过滤点设置为高于电源噪声频率，比如GSM电话的217Hz，便可滤除输出中的噪声。这里建议采用容差小于或等于10％的电容器，以便与阻抗匹配并改善共模抑制比和电源抑制比。
随着输出功率的增加，放大器、负载和电源之间的互连电阻(PCB连线和导线)将造成电压降。LM48410和负载之间因连线造成的电压损失将导致输出功率下降和能效降低。此外，电源和LM48410之间较高的连线电阻也会产生类似稳压不足的效果，使电源线上的纹波增加，降低了放大器的峰值输出功率。为了保证最大的输出电压摆幅和相应的峰值输出功率，连接输出引脚和负载的PCB连线以及连接电源引脚和电源的连线应尽量宽，以降低连线电阻。
使用电源层和接地层可获得最好的总谐波失真性能。除了可降低连线电阻外，电源层产生的寄生电容有助于电源滤波。换能器负载的电感特性可在一端或两端产生过冲，因此需要寄生的二极管连接到地和电源来抑制。