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  技術資訊

如何在小型音響中突破散熱、成本的限制提升功率

來 源:  時 間:2018-11-07

  伴隨著時代的發展和消費的升級,個人音響在短短10多年間,已從CD播放機開始,經歷了插卡音響、USB音響、藍牙音響、Wi-Fi音響多種形式,并在近期發展到了集成多種功能的智能音響。另一方面,隨著產品形態的多樣化,小型便攜式音響在個人音響中逐漸流行,而這些小型個人音響由于體積小、間有限,如何在小體積中實現更大的大功率,給工程師設計帶來了巨大的挑戰。

 

其實,在個人手機中,由于其功能的豐富和小型化的需求,早已對其中的音響模塊提出了小體積、大功率的需求。NXP為應對這種需求,率先推出了TFA989x智能功放,其在內置升壓功能大幅提升功率的同時,加入可靠的揚聲器保護功能,基于音樂瞬態變化而平均功率較小的特性,突破小尺寸喇叭的功率極限,使手機中的瞬態功率大大提升,滿足可使用空間越來越小的智能手機中進一步提升音質的需求。

 那么,在體積逐漸被縮小、成本控制嚴格、功率需求則不斷增長的小型個人音響中,工程師如何才能突破體積限制實現更大功率呢?

 

首先,我們需要了解到的是,個人音響與個人手機不同,其對功率提升的限制主要并不在于其對喇叭尺寸的苛刻限制,而是主要在以下幾個方面:

 

 

(1)結構限制和成本控制導致的空間減小和PCB板面積減小,所帶來的散熱限制。
(2) 基于成本控制要求,使用低成本藍牙方案和PA方案,由于藍牙方案沒有或不方便調節DRC,而PA又沒有有效的限幅功能,在靈敏度和平均功率之間難以得到理想平衡。

 



基于這兩個主要原因,提升小型個人音響功率的思路,與智能手機截然不同。下面,我們將分別從以下兩個方面提供提升功率的不同思路,以供工程師參考。

 
1 突破散熱限制-自動限溫控制(Thermal Foldback or TFB)功能 

首先,我們來看一下下圖這樣一段音樂。音樂是一段不規則的、混有各種不同頻率的信號,圖中標明了峰值功率和平均功率,一段音樂的峰值功率往往很高,而平均功率通常只有峰值功率的1/6 ~1/10。正是基于這個原理,NXP的智能功放才能在提升瞬態功率、突破揚聲器額定功率的同時,保證揚聲器不受損傷,進而提升手機的整理功率和聽感。


然而由于傳統音響的測試需求帶來的習慣,工程師在評估一個結構、空間和成本均具有較大限制的個人音響的功率表現時,仍以1kHz(或其他固定頻率、粉噪等)信號、4ohm電阻負載條件下的持續最大功率的表現來評估。這種評估方式將音樂的峰值功率直接轉嫁到整個系統中并持續恒定輸出, 且使用另系統效率大大降低(相對于喇叭等感性負載)的純電阻負載,使得散熱設計的挑戰更為巨大。而在客戶播放音樂的實際場景中,其平均功率遠遠達不到這種情況。


      基于這種情況,部分國產芯片將熱保護的觸發溫度設在了較高的溫度。更高的熱保護觸發溫度,另PA在4ohm純電阻負載、1kHz信號的恒定功率表現更為優秀,而由于音響工作的大部分情況是在適耳的音樂條件下,超高溫的情況幾乎很少,PA的壽命也沒有較大的變化。單需要了解的是,芯片的結溫(TJ, 可簡單理解為芯片工作時內部的最高溫度)超過170℃,芯片的壽命開始受到影響,超過200℃則可能發生損壞風險,因此,芯片普遍的熱保護觸發溫度設在了150℃,TI的部分大功率PA則設定在了170℃左右,而部分不負責任的國產芯片則將其設定在了超過200℃的超高溫。采用這種方式的芯片,在壽命老化試驗正常使用過程中PA損害的風險確大大增加。


        基于品質第一的要求,以及客戶在散熱限制情況下提升功率的需求,嘉興禾潤電子推出了自動限溫控制(Thermal Foldback or TFB)功能具有該功能的產品有:HT86x, HT87x, HT317, HT560)。借鑒NXP智能功放的做法,由于音樂平均功率遠遠小于峰值功率,在散熱具有嚴重挑戰的情況下,客戶仍可將PA設定在較大的最大峰值功率(現有散熱條件無法滿足這種持續的最大峰值功率),PA通過TFB功能使PA在播放音樂時積累的熱量在有限的板級散熱條件下散去而不至于觸發PA熱保護而關斷,從而自主的找到在該散熱條件下足以提供的最大平均功率。即在這種有限散熱條件下,PA無法完成持續的最大功率的散熱,卻能自適應的滿足持續的平均功率的散熱。

自動限溫功能的工作按如下步驟進行,示意圖如上。

 

(1)隨著音樂的播放,當PA因環境溫度增高、音樂平均功率上升引起溫度累積而板級散熱不足時,PA結溫將逐漸升高,當結溫高于自動限溫點(Thermal Foldback Trip Point, TFB)時,PA將以啟動時間(Attack Time, tA) 的速率自動減小增益,以減小PA功率耗散從而降低結溫。

(2)隨著增益的減小,溫度的降低,當PA結溫小于自動限溫點(TFB)時,PA又將以釋放時間(Release Time, tR)的速率自動增加增益,直到結溫到達過溫限幅點(TFB)。

 


       播放音樂時,由于音樂的隨機性和瞬態變化性,PA結溫的提升也存在一定的隨機性和瞬態性,因此上述自動限溫功能的開啟同樣具有一定的隨機性和瞬態性。但正因為該功能隨機、瞬態的作用,在系統設計時,對于散熱條件一般或較差的系統,具有更多的提升最大瞬時功率和平均功率的空間,從而滿足小型個人音響的需求。


        同時,合理且較低的自動限溫點,在提升最大瞬時功率和平均功率的情況下,仍能保證結溫低于合理值,確保PA的壽命和品質。
      當然,在自動限溫功能條件下,使用1kHz(或其他固定頻率、粉噪等)信號、4ohm電阻負載條件下的持續最大功率表現的傳統方式來評估,由于較低的自動限溫點,持續最大功率表現會比其他使用超高熱保護觸發溫度的產品更為差勁。


2 平衡靈敏度與平均功率-自動增益控制(Automatic Gain Control or AGC)功能
第二節內容,我們將在下次文章中分享。

        ........  敬請期待  .........




 

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