【導讀】對于設計人員來說，音頻領域的功率轉換設計是一個真正的技術挑戰，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，當然還有效率之間取得一個最佳平衡。
對于設計人員來說，音頻領域的功率轉換設計是一個真正的技術挑戰，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用相當常見的選擇就是LLC諧振轉換器。這種類型的轉換器具有許多優點，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)的振蕩來實現高效的功率轉換。
要設計用于音頻應用的LLC諧振轉換器，有一些重要因素需要考慮。首先，必須根據應用的規格仔細選擇電路的諧振頻率。電感器和電容器必須根據應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磁芯飽和效應，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，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備出現不必要的失真或損壞非常重要。
波峰因數：音頻中的波峰因數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，則波峰因數等于2。波峰因數很重要，因為它提供了有關音頻信號動態的信息。高波峰因數表示峰值和RMS電平之間存在較大差異，表明信號具有更大的動態并且可能包含高幅度的瞬態或峰值。相反，低波峰因數表示較低的動態以及更壓縮或更有限的信號。高波峰因數需要采用與低波峰因數不同的方法來管理信號動態，并確保信號本身保持在可接受的范圍內，沒有不必要的失真或削波。
圖1：峰值音頻電平和RMS音頻電平之間的關系
對電源的基本要求是它們必須能夠瞬間支持數倍于額定負載的峰值負載。盡管這種情況可能很少發生，但供電系統必須為這種可能性做好準備。下面列出了不同類型聲音的波峰因數常規測量值：
環境噪音：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
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。
聲音再現高度失真，因為上、下峰值的音頻信號被剪切。
如果電源的輸出電壓在峰值負載瞬態期間過度下降，則會發生削波(參見圖2中的波形圖)，并且由于許多聲音信息被剪切，導致音頻完全失真。此外，不良影響不僅涉及聲音，還涉及系統的電子部分，特別是：
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。在過去，盡管電子管系統效率非常低(實質上，產生了大量未使用的熱量)，卻很少出現音頻信號失真，要么是因為高電壓，要么是因為電源。
圖2：電源不足可能會導致削波。
目前一些常用的關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，在音頻領域實施LLC解決方案需要電源和音頻工程師之間的全面協作和溝通。在設計電源之前，有必要指定音頻放大器能夠處理的連續功率和峰值功率。峰值功率與連續功率的比率(如上表所示)取決于具體應用，因此需要在設計之初就明確定義。
LLC串聯諧振轉換器(LLC-SRC)是LLC諧振轉換器的特定配置，用作隔離式DC/DC轉換器。在LLC-SRC配置中，LLC轉換器(見圖3)與一個變壓器和一個整流二極管串聯，以實現轉換器輸入和輸出之間的電氣隔離。變壓器能夠根據應用的需要來增加或減少輸入電壓。
這種配置有幾個優點。首先，它通過利用線圈和電容器之間的諧振來提供高效率，從而降低開關損耗。此外，變壓器提供的電氣隔離允許轉換器的輸入和輸出分離，從而保護控制電路并允許調整變壓器變比。從增益響應曲線圖中可以看出，根據開關頻率的不同，存在三種不同的情況。
如果開關頻率小于諧振頻率：
次級進行DCM操作
軟開關整流器(ZCS)
在給定功率下有更高的RMS電流
限制次級DCM/CCM操作
軟開關整流器(ZCS)
最佳效率點
次級進行CCM操作
整流器的反向恢復
給定功率下有低RMS電流
如果開關頻率等于諧振頻率：
如果開關頻率大于諧振頻率：
因此，理想的目標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。一旦定義了設計規范，就可以繼續進行電源的設計。根據地區和應用的電源質量標準，電源設計可能需要一個帶功率因數校正功能的電源。第一個關鍵設計步驟是選擇諧振電路元件來設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在峰值功率水平下運行。如果電路無法實現所需的增益，輸出電壓將在功率峰值期間下降，進而降低音頻質量或使放大器失效。峰值功率的持續時間可能相當長，所以電源必須能夠連續供應整個峰值負載。
圖3：LLC諧振變換器原理圖
工作的關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，在連續供電期間，元件必須確保其額定的熱性能。設計一個適合散熱的PCB通常比設計散熱器更方便。LLC-SRC通常設計為突發模式，以確保輕負載下的效率，并讓待機功率滿足行業標準。這樣可以在不關閉主輸出的情況下降低待機功耗。
結論
諧振轉換器的設計非常具有挑戰性，特別是當它們與音頻系統一起使用時。它們是具有高峰值負載的高功率音樂應用的有效解決方案。設計LLC諧振轉換器需要明智地選擇諧振頻率，根據應用規范正確選擇線圈和電容器，并設計相位控制來處理峰值負載。LLC諧振轉換器的正確設計可確保應用高效可靠地運行，即使它非常復雜。應始終考慮到音頻放大器的效率，因為其損耗會導致電源上的負載增加。
（作者： Giovanni Maria，來源： EDN電子技術設計微信公眾號）
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