我們將深入介紹設(shè)計(jì)半橋電感器 - 電感器 - 轉(zhuǎn)換器 (LLC) 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (HB LLC - SRC) 的必備知識(shí)。在設(shè)計(jì)音頻放大器的電源時(shí)，必須將特殊注意事項(xiàng)考慮在內(nèi)。與標(biāo)準(zhǔn)隔離式電源相比，音頻信號(hào)的非線性性質(zhì)提出了不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
在廣泛的電氣工程領(lǐng)域中，不同的行業(yè)，甚至不同的公司，可能會(huì)使用不同的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述同一個(gè)主題。為了實(shí)現(xiàn)成功的設(shè)計(jì)，電源工程師和音頻工程師之間的相互理解至關(guān)重要。
首先需要明確兩個(gè)術(shù)語(yǔ)：峰值功率和連續(xù)功率。峰值功率是瞬時(shí)音頻功率，它將決定電源可實(shí)際輸出的功率大小。連續(xù)功率是指一段時(shí)間內(nèi)的平均音頻功率，在電源設(shè)計(jì)中，連續(xù)功率是指系統(tǒng)在不超過(guò)元件溫度或平均電流額定值的情況下可以提供的特定輸出功率。圖 1 提供了峰值和連續(xù)音頻級(jí)別的示例，它們與波峰因數(shù)（波形的峰值與均方根 (RMS) 值之比的度量）有關(guān)。
它也可以通過(guò)方程式 1 用分貝表示：
用 RMS 表示音頻功率并不恰當(dāng)，因?yàn)閺募夹g(shù)角度而言，它并不是計(jì)算得出的功率波形 RMS 值。
音頻放大器規(guī)格設(shè)定非常復(fù)雜，無(wú)法在此處詳盡闡述，可能需要另寫一篇文章來(lái)深入探討。需要注意的是，有關(guān)額定放大器功率級(jí)別的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一定能明確電源在峰值和連續(xù)功率方面的要求。
以針對(duì) 400W 音頻放大器設(shè)計(jì) LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC - SRC) 為例。在事先不了解音頻系統(tǒng)的情況下，可能會(huì)設(shè)計(jì)出卓越的 400W 電源。但在需要為放大器加電時(shí)，電源會(huì)出現(xiàn)故障或音頻質(zhì)量較差等問(wèn)題。LLC 轉(zhuǎn)換器的增益曲線通常會(huì)基于負(fù)載設(shè)計(jì)，并在線路條件下接近串聯(lián)諧振頻率運(yùn)行。這種方法通常會(huì)設(shè)計(jì)出卓越的 400W LLC - SRC，但在實(shí)際的音頻系統(tǒng)中，峰值功率實(shí)際上將大于放大器的 400W 額定功率。所以，在開始電源設(shè)計(jì)之前，應(yīng)至少指定連續(xù)功率和峰值功率。
對(duì)于 400W 放大器示例，播放壓縮音樂(lè)的消費(fèi)類產(chǎn)品的適當(dāng)功率級(jí)別可以是 200W 的連續(xù)功率，也可以是 800W 的峰值功率，持續(xù) 15ms。這表示波峰因數(shù)為 12dB，即經(jīng)處理音樂(lè)的典型值。未經(jīng)處理的音頻約為 18dB 至 20dB，電影音頻約 > 20dB。峰值與連續(xù)功率之比終取決于具體的應(yīng)用，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期就必須清楚地定義這些參數(shù)。不同負(fù)載電平的持續(xù)時(shí)間要求對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)也很有幫助。請(qǐng)謹(jǐn)記，務(wù)必要考慮音頻放大器的效率，因?yàn)榉糯笃髦袝?huì)存在損耗，從而導(dǎo)致電源的負(fù)載更高。
一旦規(guī)格終確定，便可以繼續(xù)進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。根據(jù)地區(qū)和應(yīng)用的電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可能需要為此功率級(jí)別的設(shè)計(jì)提供功率因數(shù)校正 (PFC) 電源。PFC 前端將提供穩(wěn)壓 400VDC 總線，用作 LLC - SRC 的輸入。
與大多數(shù)諧振轉(zhuǎn)換器一樣，設(shè)計(jì) LLC - SRC 的步是選擇諧振回路元件。這將設(shè)置諧振頻率并形成增益曲線。在此步驟中，要確保可以達(dá)到峰值功率電平下的輸出電壓。如果諧振回路無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的增益，則輸出電壓將在音頻達(dá)到峰值時(shí)下降，從而降低音頻質(zhì)量或關(guān)閉放大器。峰值功率的持續(xù)時(shí)間要求對(duì)于輸出電容器來(lái)說(shuō)通常太長(zhǎng)，無(wú)法維持輸出電壓，因此電源需要能夠?qū)嶋H提供整個(gè)峰值負(fù)載。
對(duì)峰值增益預(yù)留一些額外的余量。由于變壓器構(gòu)造的物理限制，并不總是能達(dá)到的匝數(shù)或電感值。對(duì)于需要達(dá)到高峰值功率的音頻設(shè)計(jì)，使用分立式諧振電感器將大有裨益，可確保更的諧振和磁化電感。
在峰值功率下，選擇可處理峰值電流的元件非常重要。設(shè)計(jì)磁性元件時(shí)，請(qǐng)確保它們不會(huì)飽和。在連續(xù)功率下，根據(jù)持續(xù)熱性能來(lái)選擇元件和封裝很有必要。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)縮減某些封裝的尺寸，并使用 PCB 進(jìn)行熱管理，而不是使用散熱器。
與任何 LLC - SRC 一樣，構(gòu)建增益曲線是一個(gè)迭代過(guò)程。嘗試達(dá)到特定的工作頻率、諧振電流和電壓，并在峰值和連續(xù)功率級(jí)別之間平衡設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性。在完成計(jì)算時(shí)，需要調(diào)整磁化電感、諧振電感、匝數(shù)比和諧振電容。100kHz 是硅基設(shè)計(jì)的常見諧振頻率目標(biāo)。對(duì)于音頻應(yīng)用，目標(biāo)應(yīng)設(shè)為 100kHz，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)功率工作點(diǎn)。圖 2 展示了針對(duì)上述示例的增益曲線，工作頻率范圍為 83kHz 至 139kHz。
現(xiàn)代 LLC - SRC 設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是可提高輕負(fù)載效率的突發(fā)模式運(yùn)行。突發(fā)模式還用于滿足行業(yè)待機(jī)功耗相關(guān)規(guī)定。當(dāng)突發(fā)數(shù)據(jù)包頻率處于可聞噪聲范圍內(nèi)時(shí)，需要考慮可聞噪聲，但 UCC256404 等一些 LLC 諧振控制器使用突發(fā)模式控制律來(lái)防止突發(fā)頻率產(chǎn)生可聞噪聲。
以下是三種方法以及相應(yīng)的選擇理由：
- 啟用突發(fā)模式：使用突發(fā)模式可在不關(guān)閉主輸出的情況下降低待機(jī)功耗。將瞬時(shí)為放大器供電，這樣便不會(huì)因電源啟動(dòng)造成延遲。
- 禁用突發(fā)模式：在待機(jī)模式下，轉(zhuǎn)換器將需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)操作來(lái)調(diào)節(jié)輸出。這降低了輕負(fù)載效率，但可以降低復(fù)雜性并進(jìn)一步消除任何可聞噪聲問(wèn)題，例如次級(jí)側(cè)整流器寄生效應(yīng)對(duì)增益曲線的影響。圖 3 展示了增益曲線在較高頻率下實(shí)際如何開始上升。如果無(wú)法達(dá)到增益，電源將失去調(diào)節(jié)功能。
- 禁用外部控制器：當(dāng)音頻放大器未運(yùn)行時(shí)，使用外部禁用電路來(lái)關(guān)閉控制器。與突發(fā)模式相比，這種模式可以降低待機(jī)功耗，但會(huì)增加成本，因?yàn)橄到y(tǒng)現(xiàn)在需要輔助電源。當(dāng)放大器準(zhǔn)備好輸出音頻時(shí)，也會(huì)存在啟動(dòng)延遲。
LLC - SRC 是一種高性能拓?fù)?，可支?100W 至 500W 的連續(xù)功率范圍。該拓?fù)浞浅＿m用于需要高效率和超低電磁干擾 (EMI) 的交流 / 直流系統(tǒng)。諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性，即使在被應(yīng)用到錯(cuò)綜復(fù)雜的音頻系統(tǒng)之前也是如此。電源工程師和音頻工程師在放大器所需的峰值和連續(xù)功率級(jí)方面相互了解是一切的基石。
