作者： Giovanni Maria，來源： EDN電子技術(shù)設(shè)計微信公眾號

對于設(shè)計人員來說，音頻領(lǐng)域的功率轉(zhuǎn)換設(shè)計是一個真正的技術(shù)挑戰(zhàn)，因為峰值負載可能遠高于均方根(RMS)功率要求。他們必須在散熱要求、解決方案的尺寸和重量、成本，當(dāng)然還有效率之間取得一個最佳平衡。

1. 高功率音頻

如今，具有高峰值負載的高功率音頻應(yīng)用相當(dāng)常見的選擇就是LLC諧振轉(zhuǎn)換器。這種類型的轉(zhuǎn)換器具有許多優(yōu)點，例如比其他解決方案更高的效率和可靠性。它是一種由三個電抗元件組成的功率轉(zhuǎn)換器，利用線圈和電容器之間的諧振，并通過在特定頻率(稱為諧振頻率)的振蕩來實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。

要設(shè)計用于音頻應(yīng)用的LLC諧振轉(zhuǎn)換器，有一些重要因素需要考慮。首先，必須根據(jù)應(yīng)用的規(guī)格仔細選擇電路的諧振頻率。電感器和電容器必須根據(jù)應(yīng)用的功率和所需的諧振頻率來選擇，并且必須具有最高的質(zhì)量。線圈必須具有足夠高的電感，以避免在負載電流峰值時出現(xiàn)磁芯飽和效應(yīng)，而電容器必須能夠處理電路的電壓和電流。留意圖1中的音軌，其中突出顯示了音軌的幾個元素，其中包括：

RMS音頻電平：RMS音頻電平表示音頻信號在時域中的有效幅度。它通常用于表示音頻信號的真實電平，因為它同時考慮了信號的正負振幅。RMS音頻電平通常以相對于功率參考的分貝表示。這個電平很重要，因為它代表音頻信號的實際功率。

峰值音頻電平：峰值音頻電平表示音頻信號在時域中的最大幅度值。它是最大的瞬時音頻功率，表示給定時間段內(nèi)信號達到的最高峰值點。峰值電平通常以相對于幅度參考的分貝為單位來衡量。峰值是信號最大幅度的指標(biāo)，可用于避免音頻信號的失真或削波。測量峰值音頻電平對于確保信號不超過可接受的幅度限制，并避免揚聲器或播放設(shè)備出現(xiàn)不必要的失真或損壞非常重要。

波峰因數(shù)：音頻中的波峰因數(shù)是指示音頻信號的峰值電平和RMS電平之間差距的度量。它的計算方法是將音頻信號的峰值除以其RMS值。例如，如果信號的峰值為2V，其RMS值為1V，則波峰因數(shù)等于2。波峰因數(shù)很重要，因為它提供了有關(guān)音頻信號動態(tài)的信息。高波峰因數(shù)表示峰值和RMS電平之間存在較大差異，表明信號具有更大的動態(tài)并且可能包含高幅度的瞬態(tài)或峰值。相反，低波峰因數(shù)表示較低的動態(tài)以及更壓縮或更有限的信號。高波峰因數(shù)需要采用與低波峰因數(shù)不同的方法來管理信號動態(tài)，并確保信號本身保持在可接受的范圍內(nèi)，沒有不必要的失真或削波。

圖1：峰值音頻電平和RMS音頻電平之間的關(guān)系

對電源的基本要求是它們必須能夠瞬間支持數(shù)倍于額定負載的峰值負載。盡管這種情況可能很少發(fā)生，但供電系統(tǒng)必須為這種可能性做好準(zhǔn)備。下面列出了不同類型聲音的波峰因數(shù)常規(guī)測量值：

環(huán)境噪音：3:1

演講：4:1

具有峰值電平壓縮的音樂：4:1至8:1

無峰值電平壓縮的音樂：8:1至10:1

電影音頻：>10:1

如果電源的輸出電壓在峰值負載瞬態(tài)期間過度下降，則會發(fā)生削波(參見圖2中的波形圖)，并且由于許多聲音信息被剪切，導(dǎo)致音頻完全失真。此外，不良影響不僅涉及聲音，還涉及系統(tǒng)的電子部分，特別是：

由于超低音揚聲器(低音炮)的機械限制，其面臨很大的危險。如果揚聲器的振動超出預(yù)期，音盆和線圈都可能損壞。

低音炮或高音揚聲器本身可能會由于通過音頻線的高能量而過熱。

聲音再現(xiàn)高度失真，因為上、下峰值的音頻信號被剪切。

有一個強大的電源是對電路的基本要求，必須將其輸出電壓保持在一個精確的過沖和下沖限度內(nèi)。在過去，盡管電子管系統(tǒng)效率非常低(實質(zhì)上，產(chǎn)生了大量未使用的熱量)，卻很少出現(xiàn)音頻信號失真，要么是因為高電壓，要么是因為電源。

圖2：電源不足可能會導(dǎo)致削波。

目前一些常用的關(guān)于最佳音頻電源的解決方案包括采用更大比例的PCB占用面積，或通過使用更高的開關(guān)頻率和更小的磁性元件來減小電路的尺寸。

2. 具體來看看LLC

如前所述，在音頻領(lǐng)域?qū)嵤㎜LC解決方案需要電源和音頻工程師之間的全面協(xié)作和溝通。在設(shè)計電源之前，有必要指定音頻放大器能夠處理的連續(xù)功率和峰值功率。峰值功率與連續(xù)功率的比率(如上表所示)取決于具體應(yīng)用，因此需要在設(shè)計之初就明確定義。

LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(LLC-SRC)是LLC諧振轉(zhuǎn)換器的特定配置，用作隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。在LLC-SRC配置中，LLC轉(zhuǎn)換器(見圖3)與一個變壓器和一個整流二極管串聯(lián)，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器輸入和輸出之間的電氣隔離。變壓器能夠根據(jù)應(yīng)用的需要來增加或減少輸入電壓。

這種配置有幾個優(yōu)點。首先，它通過利用線圈和電容器之間的諧振來提供高效率，從而降低開關(guān)損耗。此外，變壓器提供的電氣隔離允許轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出分離，從而保護控制電路并允許調(diào)整變壓器變比。從增益響應(yīng)曲線圖中可以看出，根據(jù)開關(guān)頻率的不同，存在三種不同的情況。

如果開關(guān)頻率小于諧振頻率：

次級進行DCM操作

軟開關(guān)整流器(ZCS)

在給定功率下有更高的RMS電流

如果開關(guān)頻率等于諧振頻率：

限制次級DCM/CCM操作

軟開關(guān)整流器(ZCS)

最佳效率點

如果開關(guān)頻率大于諧振頻率：

次級進行CCM操作

整流器的反向恢復(fù)

給定功率下有低RMS電流

因此，理想的目標(biāo)是在額定負載下接近諧振頻率運行，并在峰值負載期間低于諧振頻率。一旦定義了設(shè)計規(guī)范，就可以繼續(xù)進行電源的設(shè)計。根據(jù)地區(qū)和應(yīng)用的電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，電源設(shè)計可能需要一個帶功率因數(shù)校正功能的電源。第一個關(guān)鍵設(shè)計步驟是選擇諧振電路元件來設(shè)置諧振頻率并確定增益的特性。在此階段，輸出電壓必須足以使系統(tǒng)在峰值功率水平下運行。如果電路無法實現(xiàn)所需的增益，輸出電壓將在功率峰值期間下降，進而降低音頻質(zhì)量或使放大器失效。峰值功率的持續(xù)時間可能相當(dāng)長，所以電源必須能夠連續(xù)供應(yīng)整個峰值負載。

圖3：LLC諧振變換器原理圖

工作的關(guān)鍵階段恰好是在峰值功率信號期間，因此使用能夠處理此類電流的一流元件非常重要，并且磁鐵不得飽和。另一方面，在連續(xù)供電期間，元件必須確保其額定的熱性能。設(shè)計一個適合散熱的PCB通常比設(shè)計散熱器更方便。LLC-SRC通常設(shè)計為突發(fā)模式，以確保輕負載下的效率，并讓待機功率滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這樣可以在不關(guān)閉主輸出的情況下降低待機功耗。

結(jié)論
諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性，特別是當(dāng)它們與音頻系統(tǒng)一起使用時。它們是具有高峰值負載的高功率音樂應(yīng)用的有效解決方案。設(shè)計LLC諧振轉(zhuǎn)換器需要明智地選擇諧振頻率，根據(jù)應(yīng)用規(guī)范正確選擇線圈和電容器，并設(shè)計相位控制來處理峰值負載。LLC諧振轉(zhuǎn)換器的正確設(shè)計可確保應(yīng)用高效可靠地運行，即使它非常復(fù)雜。應(yīng)始終考慮到音頻放大器的效率，因為其損耗會導(dǎo)致電源上的負載增加。

審核編輯 黃宇