手持设备中音频功放的创新架构 - 将功率与效率做到极致

zhicaishi

在手持设备中音频功放最关心的一项指标就是效率，在锂电池供电模式下能够输出大功率的特点也使得音频功放进一步演变，保持高效率同时又能支持大输出功率的要求为设计者提出了新的考验；
在手持设备中锂电池工作电压为3.6V至4.2V，锂电池直接供电模式，音频功放在保持较好的THD指标前提下其最大输出功率仅有0.8W，为了提高最大输出功率，在芯片中集成电荷泵来升压成为一种简单易行的设计，我们称为方案A；直接将电荷泵输出的高压提供给音频芯片固然设计简单，但是也带来了效率的极大浪费，因为D类功放始终工作在电荷泵下，该方案最终效率受电荷泵影响将低至60%，中小功率输出时的效率甚至低于50%；
这些问题被聚焦在电荷泵切入时机的控制上，欧美公司早有G类如MAX9730，其专利架构完美解决了电荷泵的功率控制，但是该架构是由AB类功放配合电荷泵组成，AB类自身效率的低下成为整个架构的效率瓶颈。另有方案B可参考tpa2015的设计，该架构采用D类功放配合升压电路组成，利用输入音频音量控制高压电源介入时机，如下图1所示，随着音量切换电源电压进行供电，相比采用电荷泵直接供电的方案A有了一定的进步；

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图2为图1中截取的一小段时间，放大这一小段音频信号我们可以发现方案2表面看来相比方案1有了一定的进步，但其实浪费了太多的效率。
如图2所示方案C，电源随着音频信号即时在高低电源之间进行切换，这样，仅仅在波峰的瞬间才切换为高电源供电，其余部分则保持了D类功放的高效率。启攀微电子业内首推针对D类功放IPM智能电源管理专利架构真正完美执行了上述工作；
值得注意的是，在方案3中IPM电源架构的即时切换是指D类功放工作在电池直接供电与电荷泵高压供电之间的切换，而非是电荷泵的1倍模式和2倍模式之间的切换，这样避免了1倍电荷泵自身效率存在的瓶颈，因此低压供电下完全等同于纯D类音频功放90%的效率。对于普通音乐而言，音频功放绝大多数时间都可以工作在低压模式下，电荷泵1倍工作模式下带来的接近10%效率损失不可接受；
该专利架构在保证THD+N等关键性能指标的前提下，为我们带来了高达2W的最大输出功率以及平均超过80%的效率，尤其针对普通歌曲，采用该架构设计的芯片在效率的挖掘做到了极致，在高保真度，高输出功率的基础上最大程度上延长了音乐的播放时间，尤其适用于音乐手机，平板电脑等锂电池供电的手持设备。
在国内产品一片设计跟风，降性能降成本的环境下，芯片价格都普遍远远低于国外公司，这样一款具备实质应用意义的创新架构，性能较国外产品也领先的产品却只能便宜出售，只能说是我们国内公司的遗憾。这种情况还是要靠国人的创新与智慧逐步改善，也靠行内各位的互相支持。


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zhicaishi

我们都知道，在锂电池供电下输出功率超过0.8W后THD指标会下降，信号幅度过大出现了截顶失真是THD变差的主要原因。有些通过动态增益控制的设计可以避免截顶失真，但却不可避免的带来了信号的变形，所有具备动态增益控制的芯片当该功能启动的时候其THD指标都惨不忍睹；
其实CP2230/32这款芯片的设计初衷是在电池供电模式下增加信号的动态范围，避免截顶失真，大功率输出仅仅为附带产品，追求效率与性能才是主题！但目前市场上这类产品全部都陷入了大功率的怪圈，大家感觉HTC\MOTO的手机声音太小进而希望自己设计的手机声音大点是应该的，可太大反而有点过犹不及的味道了！

basebond

呵呵，看来比G类功放又高了一个级别，就不知道最终的实际效果怎么样