PCB 設(shè)計(jì)中高功率數(shù)字放大器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

高功率數(shù)字放大器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括：

1）SMPS問(wèn)題，包括拓?fù)浜透吡髁吭O(shè)計(jì)問(wèn)題；

2) SMPS 和高流量信號(hào)路徑中的重要組件必須正確設(shè)計(jì)，以處理高功率和電流；

3）PCB設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括信號(hào)線寬度和電磁干擾（EMI）。

開(kāi)關(guān)電源問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)通道可以達(dá)到300W的立體聲或多通道產(chǎn)品需要能夠持續(xù)達(dá)到600W，以符合聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)（FTC）的現(xiàn)行規(guī)定。 根據(jù)FTC的規(guī)定，左右聲道必須持續(xù)發(fā)揮滿功率五分鐘，制造商才能聲稱這個(gè)功率是額定功率。 由于開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 是數(shù)字放大器最常用的電源技術(shù)，因此要求 SMPS 能夠提供至少 5 分鐘 600 W 的功率水平。 從散熱的角度來(lái)看，五分鐘是一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間。 事實(shí)上，SMPS 必須能夠持續(xù)實(shí)現(xiàn)這種功率。 對(duì)于這種高功率，通常建議使用推挽式、半橋或全橋 SMPS。

對(duì)于低功率 SMPS 設(shè)計(jì)（低于 200 W），最常使用反向拓?fù)洹?本文沒(méi)有詳細(xì)描述為什么推挽式或半橋式 SMPS 適用于高功率級(jí)別，僅提供以下一般性描述。 在反向SMPS中，僅使用變壓器磁B-H曲線的一部分。 另外，反向SMPS結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。

由于大功率SMPS的大電流會(huì)在SMPS變壓器中產(chǎn)生非常高的磁通量，因此可以利用整個(gè)B-H磁滯回線曲線來(lái)降低磁芯損耗。 推挽或半橋拓?fù)淇梢栽黾覵MPS的功率，但設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本也會(huì)增加。

此外，SMPS中使用的元件也需要更換，以實(shí)現(xiàn)高功率和大電流。 SMPS 變壓器還必須增加以處理高功率和高電流。 對(duì)于 220 VAC 輸入，600 W SMPS 的峰值電流可達(dá) 15 安培。 對(duì)于 110 VAC 設(shè)計(jì)（90 VAC 至 136 VAC），建議在濾波器后使用電壓倍增器或功率因數(shù)校正 (PFC)，因?yàn)閷?duì)于具有 90 VAC 至 136 VAC 輸入的 600 W SMPS，輸入電流將相當(dāng)大。 需要密切監(jiān)控的元件包括主輸入交流轉(zhuǎn)直流整流電容器和輔助直流紋波電壓消除電容器。 此外，輸入EMI線路濾波器還必須能夠支持增加的功率負(fù)載。

由于這些電源的設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜并且需要專業(yè)知識(shí)，因此一般建議使用現(xiàn)有的SMPS電源。

音頻信號(hào)路徑的組成部分

針對(duì)更高紋波電流的設(shè)計(jì)還有其他考慮因素。 例如，根據(jù)圖2所示電路，當(dāng)H橋電壓（PVDD）為50V、使用10μH電感、開(kāi)關(guān)頻率為384kHz時(shí)，使用TAS5261的系統(tǒng)紋波電流可達(dá)1.6 安培。 這意味著輸出 LC 濾波器中的電感器和電容器以及 PVDD 電容器必須能夠處理負(fù)載電流和紋波電流。 濾波電感中的高電流還意味著電感必須具有相對(duì)較低的直流電阻（建議小于 25 毫歐）。 然而，即使電阻相對(duì)較低，濾波電感也會(huì)遭受 I2R 損耗。 電感器必須能夠應(yīng)對(duì)由此產(chǎn)生的溫升，特別是對(duì)于磁芯材料而言。 TAS5261 參考設(shè)計(jì)包含材料列表和特定的電感部件號(hào)。

PCB設(shè)計(jì)問(wèn)題

高電流放大器和 SMPS 的 PCB 信號(hào)線必須具有最小電阻，以最大限度地減少 I2R 損耗。 一般來(lái)說(shuō)，這意味著應(yīng)使用 2 盎司的銅，并且信號(hào)線應(yīng)盡可能寬。 為了最大限度地減少EMI和音頻性能問(wèn)題，您應(yīng)該盡可能遵循該配置，并將此配置應(yīng)用于功率等級(jí)完全不變的高壓/高功率端子。 高功率信號(hào)線位于集成電路（IC）的右上方。

新型高瓦數(shù)數(shù)字放大器功率級(jí)將有助于開(kāi)發(fā)更加多樣化的產(chǎn)品和應(yīng)用。 本文描述的概念可以幫助克服高功率設(shè)計(jì)中遇到的主要挑戰(zhàn)。 PCB組裝和PCB加工制造商解釋了高功率數(shù)字放大器在PCB設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。