Cirrus Logic: 升压放大器让设备兼具小身材和大音量

作者：Cirrus Logic市场营销部Kurt Efaw
 
消费者现在都用非常小巧的设备来听音乐，但是锂电池和低压电源通常不能实现大音量的音频效果。升压放大器因其可以增加响度，同时能实现极小尺寸的封装和超低的功耗日渐流行。

音乐和娱乐在我们的生活中无处不在。传统的外置音响设备已经在过去的100多年给消费者带来了极佳的体验，从早期的电影娱乐到露天摇滚音乐会，再到家庭影院，这些都是消费者从大型娱乐设备得到的优良体验.
 
但是对于当今的移动消费者而言，他们需要小尺寸设备也能提供响亮的音频效果。在虚拟现实耳机上玩视频游戏现已司空见惯，消费者使用增强现实太阳镜、可穿戴式颈带或蓝牙扬声器收听音乐，这些设备小巧便捷可以放进口袋之中。以前的“静音”设备或充其量能提供平平音频效果的设备现被集成到智能家居中被重新构想。诸如恒温器、家庭保安摄像头和电视遥控器之类的简单设备现都配备了麦克风和扬声器，听从语音指示并响应用户。通过集成扬声器和麦克风，即使是智能手表这样最小体积的连接设备也可以提供差异化，用户无需智能手机即可进行语音通话。

随着设备尺寸变得越来越小，电源也随之变小。锂电池因其使用寿命长和充电时间短而备受欢迎。例如通过USB连接的5伏电源也是一种流行的标准。但是这些电源能提供响亮的音频效率吗？在大多数情况下，答案是否定的。例如，使用标准的3.7 V锂离子作为电源，驱动典型8Ω扬声器的高效放大器则提供不到1瓦的电能。当电池电量不足或电池老化时，电池电压会降低，而电池阻抗则会增加2-3倍。如图1所示，这将导致传递到扬声器的输出功率更少。为什么不只使用低阻抗扬声器呢？因为这将不仅增加输出功率，还会在放大器和扬声器之间的走线或电缆上造成更高的负载电流和更大的功率损耗。（参见图2）。

图1


图2

升压音频放大器的重要性与日俱增

用户希望音乐效果响亮，同时也希望电池寿命长且设备小巧可以随身携带。设计人员如何才能在不浪费电源或空间、并不浪费资金的情况下将优质音频表现整合到他们的系统中？其实有一个简单的答案，那就是升压放大器。这些小巧的设备将DC-DC升压调节器和高效的D类音频放大器集成在一个小封装中，并具有四大主要优点：

音量更为响亮 – 与非升压系统相比，升压功放系统能提供更高的输出电平。

效率 – 通过将升压和输出级紧密耦合在一个集成控制回路中，与带独立DC-DC升压和放大器的两芯片解决方案相比，升压放大器具有更高的效率（η = η_boost*η_amplifier）。

尺寸和成本 – 与带独立放大器和升压转换器的两芯片系统相比，这一解决方案的尺寸更小，而且通常价格较低。典型的智能手表PCB尺寸可能约为3 in²，其中大部分都由处理器和无线通信模块这样的关键组件占据。在此类应用中，最大化响度不能以牺牲尺寸为代价，而是需要高度集成的解决方案。

简单性 – 集成两个功能组块可简化系统集成，包括减少引脚数，减少PCB走线和减少元器件。

并非所有的升压放大器都一样。架构已发展演变为增加电压、输出功率和效率。G类配置提供两个或三个不同的升压输出电压电平。升压转换器会根据音频内容自动选择所需的最小输出电压电平，以将转换损耗降至最低。H类功放拥有更多级数的升压电平，能够细致地追随包络输入音频信号, 实现更高的效率（有关G类和H类升压放大器的比较，请参见图3）。即使在H类中，也并非所有升压设计都是一样的。重要的是要考虑升压电压跟踪音频包络的速度和接近程度。例如，Cirrus Logic的CS35L41音频放大器具有非常快速跟踪的11V H类升压转换器。它也是首批采用55nm工艺的升压放大器之一，与130nm或180nm等较大的模拟放大器工艺相比，它可以将很多工艺封装在一个较小的区域内，实现更紧密、更快的升压转换器控制环路。

图 3

总而言之，与两芯片解决方案相比，升压放大器可以在低压电源设备中为音频提供最大的响度“提升”，电池寿命更长、尺寸更小、成本更低。 借助当今的升压放大器，制造商可以在小空间内为消费者提供出色的音频效果，同时最大限度地延长电池寿命。