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  技术资讯

如何在小型音响中突破散热、成本的限制提升功率

来 源:  时 间:2018-11-07

  伴随着时代的发展和消费的升级,个人音响在短短10多年间,已从CD播放机开始,经历了插卡音响、USB音响、蓝牙音响、Wi-Fi音响多种形式,并在近期发展到了集成多种功能的智能音响。另一方面,随着产品形态的多样化,小型便携式音响在个人音响中逐渐流行,而这些小型个人音响由于体积小、间有限,如何在小体积中实现更大的大功率,给工程师设计带来了巨大的挑战。

 

其实,在个人手机中,由于其功能的丰富和小型化的需求,早已对其中的音响模块提出了小体积、大功率的需求。NXP为应对这种需求,率先推出了TFA989x智能功放,其在内置升压功能大幅提升功率的同时,加入可靠的扬声器保护功能,基于音乐瞬态变化而平均功率较小的特性,突破小尺寸喇叭的功率极限,使手机中的瞬态功率大大提升,满足可使用空间越来越小的智能手机中进一步提升音质的需求。

 那么,在体积逐渐被缩小、成本控制严格、功率需求则不断增长的小型个人音响中,工程师如何才能突破体积限制实现更大功率呢?

 

首先,我们需要了解到的是,个人音响与个人手机不同,其对功率提升的限制主要并不在于其对喇叭尺寸的苛刻限制,而是主要在以下几个方面:

 

 

(1)结构限制和成本控制导致的空间减小和PCB板面积减小,所带来的散热限制。
(2) 基于成本控制要求,使用低成本蓝牙方案和PA方案,由于蓝牙方案没有或不方便调节DRC,而PA又没有有效的限幅功能,在灵敏度和平均功率之间难以得到理想平衡。

 



基于这两个主要原因,提升小型个人音响功率的思路,与智能手机截然不同。下面,我们将分别从以下两个方面提供提升功率的不同思路,以供工程师参考。

 
1 突破散热限制-自动限温控制(Thermal Foldback or TFB)功能 

首先,我们来看一下下图这样一段音乐。音乐是一段不规则的、混有各种不同频率的信号,图中标明了峰值功率和平均功率,一段音乐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。正是基于这个原理,NXP的智能功放才能在提升瞬态功率、突破扬声器额定功率的同时,保证扬声器不受损伤,进而提升手机的整理功率和听感。


然而由于传统音响的测试需求带来的习惯,工程师在评估一个结构、空间和成本均具有较大限制的个人音响的功率表现时,仍以1kHz(或其他固定频率、粉噪等)信号、4ohm电阻负载条件下的持续最大功率的表现来评估。这种评估方式将音乐的峰值功率直接转嫁到整个系统中并持续恒定输出, 且使用另系统效率大大降低(相对于喇叭等感性负载)的纯电阻负载,使得散热设计的挑战更为巨大。而在客户播放音乐的实际场景中,其平均功率远远达不到这种情况。


      基于这种情况,部分国产芯片将热保护的触发温度设在了较高的温度。更高的热保护触发温度,另PA在4ohm纯电阻负载、1kHz信号的恒定功率表现更为优秀,而由于音响工作的大部分情况是在适耳的音乐条件下,超高温的情况几乎很少,PA的寿命也没有较大的变化。单需要了解的是,芯片的结温(TJ, 可简单理解为芯片工作时内部的最高温度)超过170℃,芯片的寿命开始受到影响,超过200℃则可能发生损坏风险,因此,芯片普遍的热保护触发温度设在了150℃,TI的部分大功率PA则设定在了170℃左右,而部分不负责任的国产芯片则将其设定在了超过200℃的超高温。采用这种方式的芯片,在寿命老化试验正常使用过程中PA损害的风险确大大增加。


        基于品质第一的要求,以及客户在散热限制情况下提升功率的需求,嘉兴禾润电子推出了自动限温控制(Thermal Foldback or TFB)功能具有该功能的产品有:HT86x, HT87x, HT317, HT560)。借鉴NXP智能功放的做法,由于音乐平均功率远远小于峰值功率,在散热具有严重挑战的情况下,客户仍可将PA设定在较大的最大峰值功率(现有散热条件无法满足这种持续的最大峰值功率),PA通过TFB功能使PA在播放音乐时积累的热量在有限的板级散热条件下散去而不至于触发PA热保护而关断,从而自主的找到在该散热条件下足以提供的最大平均功率。即在这种有限散热条件下,PA无法完成持续的最大功率的散热,却能自适应的满足持续的平均功率的散热。

自动限温功能的工作按如下步骤进行,示意图如上。

 

(1)随着音乐的播放,当PA因环境温度增高、音乐平均功率上升引起温度累积而板级散热不足时,PA结温将逐渐升高,当结温高于自动限温点(Thermal Foldback Trip Point, TFB)时,PA将以启动时间(Attack Time, tA) 的速率自动减小增益,以减小PA功率耗散从而降低结温。

(2)随着增益的减小,温度的降低,当PA结温小于自动限温点(TFB)时,PA又将以释放时间(Release Time, tR)的速率自动增加增益,直到结温到达过温限幅点(TFB)。

 


       播放音乐时,由于音乐的随机性和瞬态变化性,PA结温的提升也存在一定的随机性和瞬态性,因此上述自动限温功能的开启同样具有一定的随机性和瞬态性。但正因为该功能随机、瞬态的作用,在系统设计时,对于散热条件一般或较差的系统,具有更多的提升最大瞬时功率和平均功率的空间,从而满足小型个人音响的需求。


        同时,合理且较低的自动限温点,在提升最大瞬时功率和平均功率的情况下,仍能保证结温低于合理值,确保PA的寿命和品质。
      当然,在自动限温功能条件下,使用1kHz(或其他固定频率、粉噪等)信号、4ohm电阻负载条件下的持续最大功率表现的传统方式来评估,由于较低的自动限温点,持续最大功率表现会比其他使用超高热保护触发温度的产品更为差劲。


2 平衡灵敏度与平均功率-自动增益控制(Automatic Gain Control or AGC)功能
第二节内容,我们将在下次文章中分享。

        ........  敬请期待  .........




 

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