​高功率数字放大器在PCB设计中的设计挑战

PCB 设计中高功率数字放大器的设计挑战

高功率数字放大器的设计挑战包括：

1）SMPS问题，包括拓扑和高流量设计问题；

2) SMPS 和高流量信号路径中的重要组件必须正确设计，以处理高功率和电流；

3）PCB设计问题，包括信号线宽度和电磁干扰（EMI）。

开关电源问题

一般来说，每个通道可以达到300W的立体声或多通道产品需要能够持续达到600W，以符合联邦贸易委员会（FTC）的现行规定。 根据FTC的规定，左右声道必须持续发挥满功率五分钟，制造商才能声称这个功率是额定功率。 由于开关模式电源 (SMPS) 是数字放大器最常用的电源技术，因此要求 SMPS 能够提供至少 5 分钟 600 W 的功率水平。 从散热的角度来看，五分钟是一个比较长的时间。 事实上，SMPS 必须能够持续实现这种功率。 对于这种高功率，通常建议使用推挽式、半桥或全桥 SMPS。

对于低功率 SMPS 设计（低于 200 W），最常使用反向拓扑。 本文没有详细描述为什么推挽式或半桥式 SMPS 适用于高功率级别，仅提供以下一般性描述。 在反向SMPS中，仅使用变压器磁B-H曲线的一部分。 另外，反向SMPS结构相对简单，成本较低。

由于大功率SMPS的大电流会在SMPS变压器中产生非常高的磁通量，因此可以利用整个B-H磁滞回线曲线来降低磁芯损耗。 推挽或半桥拓扑可以增加SMPS的功率，但设计的复杂性和成本也会增加。

此外，SMPS中使用的元件也需要更换，以实现高功率和大电流。 SMPS 变压器还必须增加以处理高功率和高电流。 对于 220 VAC 输入，600 W SMPS 的峰值电流可达 15 安培。 对于 110 VAC 设计（90 VAC 至 136 VAC），建议在滤波器后使用电压倍增器或功率因数校正 (PFC)，因为对于具有 90 VAC 至 136 VAC 输入的 600 W SMPS，输入电流将相当大。 需要密切监控的元件包括主输入交流转直流整流电容器和辅助直流纹波电压消除电容器。 此外，输入EMI线路滤波器还必须能够支持增加的功率负载。

由于这些电源的设计相当复杂并且需要专业知识，因此一般建议使用现有的SMPS电源。

音频信号路径的组成部分

针对更高纹波电流的设计还有其他考虑因素。 例如，根据图2所示电路，当H桥电压（PVDD）为50V、使用10μH电感、开关频率为384kHz时，使用TAS5261的系统纹波电流可达1.6 安培。 这意味着输出 LC 滤波器中的电感器和电容器以及 PVDD 电容器必须能够处理负载电流和纹波电流。 滤波电感中的高电流还意味着电感必须具有相对较低的直流电阻（建议小于 25 毫欧）。 然而，即使电阻相对较低，滤波电感也会遭受 I2R 损耗。 电感器必须能够应对由此产生的温升，特别是对于磁芯材料而言。 TAS5261 参考设计包含材料列表和特定的电感部件号。

PCB设计问题

高电流放大器和 SMPS 的 PCB 信号线必须具有最小电阻，以最大限度地减少 I2R 损耗。 一般来说，这意味着应使用 2 盎司的铜，并且信号线应尽可能宽。 为了最大限度地减少EMI和音频性能问题，您应该尽可能遵循该配置，并将此配置应用于功率等级完全不变的高压/高功率端子。 高功率信号线位于集成电路（IC）的右上方。

新型高瓦数数字放大器功率级将有助于开发更加多样化的产品和应用。 本文描述的概念可以帮助克服高功率设计中遇到的主要挑战。 PCB组装和PCB加工制造商解释了高功率数字放大器在PCB设计中的设计挑战。