如何在小型音響中突破散熱、成本的限制提升功率

伴隨著時(shí)代的發(fā)展和消費(fèi)的升級(jí)，個(gè)人音響在短短10多年間，已從CD播放機(jī)開(kāi)始，經(jīng)歷了插卡音響、USB音響、藍(lán)牙音響、Wi-Fi音響多種形式，并在近期發(fā)展到了集成多種功能的智能音響。另一方面，隨著產(chǎn)品形態(tài)的多樣化，小型便攜式音響在個(gè)人音響中逐漸流行，而這些小型個(gè)人音響由于體積小、間有限，如何在小體積中實(shí)現(xiàn)更大的大功率，給工程師設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

 

其實(shí)，在個(gè)人手機(jī)中，由于其功能的豐富和小型化的需求，早已對(duì)其中的音響模塊提出了小體積、大功率的需求。NXP為應(yīng)對(duì)這種需求，率先推出了TFA989x智能功放，其在內(nèi)置升壓功能大幅提升功率的同時(shí)，加入可靠的揚(yáng)聲器保護(hù)功能，基于音樂(lè)瞬態(tài)變化而平均功率較小的特性，突破小尺寸喇叭的功率極限，使手機(jī)中的瞬態(tài)功率大大提升，滿足可使用空間越來(lái)越小的智能手機(jī)中進(jìn)一步提升音質(zhì)的需求。

 

 

 

 那么，在體積逐漸被縮小、成本控制嚴(yán)格、功率需求則不斷增長(zhǎng)的小型個(gè)人音響中，工程師如何才能突破體積限制實(shí)現(xiàn)更大功率呢？

 

首先，我們需要了解到的是，個(gè)人音響與個(gè)人手機(jī)不同，其對(duì)功率提升的限制主要并不在于其對(duì)喇叭尺寸的苛刻限制，而是主要在以下幾個(gè)方面：

 

 

（1）結(jié)構(gòu)限制和成本控制導(dǎo)致的空間減小和PCB板面積減小，所帶來(lái)的散熱限制。
（2) 基于成本控制要求，使用低成本藍(lán)牙方案和PA方案，由于藍(lán)牙方案沒(méi)有或不方便調(diào)節(jié)DRC，而PA又沒(méi)有有效的限幅功能，在靈敏度和平均功率之間難以得到理想平衡。

 

 

 

 

      

 基于這兩個(gè)主要原因，提升小型個(gè)人音響功率的思路，與智能手機(jī)截然不同。下面，我們將分別從以下兩個(gè)方面提供提升功率的不同思路，以供工程師參考。

 
1 突破散熱限制-自動(dòng)限溫控制（Thermal Foldback or TFB）功能 

首先，我們來(lái)看一下下圖這樣一段音樂(lè)。音樂(lè)是一段不規(guī)則的、混有各種不同頻率的信號(hào)，圖中標(biāo)明了峰值功率和平均功率，一段音樂(lè)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。正是基于這個(gè)原理，NXP的智能功放才能在提升瞬態(tài)功率、突破揚(yáng)聲器額定功率的同時(shí)，保證揚(yáng)聲器不受損傷，進(jìn)而提升手機(jī)的整理功率和聽(tīng)感。

 

 

      然而由于傳統(tǒng)音響的測(cè)試需求帶來(lái)的習(xí)慣，工程師在評(píng)估一個(gè)結(jié)構(gòu)、空間和成本均具有較大限制的個(gè)人音響的功率表現(xiàn)時(shí)，仍以1kHz（或其他固定頻率、粉噪等）信號(hào)、4ohm電阻負(fù)載條件下的持續(xù)最大功率的表現(xiàn)來(lái)評(píng)估。這種評(píng)估方式將音樂(lè)的峰值功率直接轉(zhuǎn)嫁到整個(gè)系統(tǒng)中并持續(xù)恒定輸出， 且使用另系統(tǒng)效率大大降低（相對(duì)于喇叭等感性負(fù)載）的純電阻負(fù)載，使得散熱設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)更為巨大。而在客戶播放音樂(lè)的實(shí)際場(chǎng)景中，其平均功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這種情況。

      基于這種情況，部分國(guó)產(chǎn)芯片將熱保護(hù)的觸發(fā)溫度設(shè)在了較高的溫度。更高的熱保護(hù)觸發(fā)溫度，另PA在4ohm純電阻負(fù)載、1kHz信號(hào)的恒定功率表現(xiàn)更為優(yōu)秀，而由于音響工作的大部分情況是在適耳的音樂(lè)條件下，超高溫的情況幾乎很少，PA的壽命也沒(méi)有較大的變化。單需要了解的是，芯片的結(jié)溫（TJ, 可簡(jiǎn)單理解為芯片工作時(shí)內(nèi)部的最高溫度）超過(guò)170℃，芯片的壽命開(kāi)始受到影響，超過(guò)200℃則可能發(fā)生損壞風(fēng)險(xiǎn)，因此，芯片普遍的熱保護(hù)觸發(fā)溫度設(shè)在了150℃，TI的部分大功率PA則設(shè)定在了170℃左右，而部分不負(fù)責(zé)任的國(guó)產(chǎn)芯片則將其設(shè)定在了超過(guò)200℃的超高溫。采用這種方式的芯片，在壽命老化試驗(yàn)、正常使用過(guò)程中PA損害的風(fēng)險(xiǎn)確大大增加。

        基于品質(zhì)第一的要求，以及客戶在散熱限制情況下提升功率的需求，嘉興禾潤(rùn)電子推出了自動(dòng)限溫控制（Thermal Foldback or TFB）功能（具有該功能的產(chǎn)品有：HT86x, HT87x, HT317, HT560）。借鑒NXP智能功放的做法，由于音樂(lè)平均功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于峰值功率，在散熱具有嚴(yán)重挑戰(zhàn)的情況下，客戶仍可將PA設(shè)定在較大的最大峰值功率（現(xiàn)有散熱條件無(wú)法滿足這種持續(xù)的最大峰值功率），PA通過(guò)TFB功能使PA在播放音樂(lè)時(shí)積累的熱量在有限的板級(jí)散熱條件下散去而不至于觸發(fā)PA熱保護(hù)而關(guān)斷，從而自主的找到在該散熱條件下足以提供的最大平均功率。即在這種有限散熱條件下，PA無(wú)法完成持續(xù)的最大功率的散熱，卻能自適應(yīng)的滿足持續(xù)的平均功率的散熱。

   

自動(dòng)限溫功能的工作按如下步驟進(jìn)行，示意圖如上。

 

(1)隨著音樂(lè)的播放，當(dāng)PA因環(huán)境溫度增高、音樂(lè)平均功率上升引起溫度累積而板級(jí)散熱不足時(shí)，PA結(jié)溫將逐漸升高，當(dāng)結(jié)溫高于自動(dòng)限溫點(diǎn)（Thermal Foldback Trip Point, TFB）時(shí)，PA將以啟動(dòng)時(shí)間(Attack Time, tA) 的速率自動(dòng)減小增益，以減小PA功率耗散從而降低結(jié)溫。

(2)隨著增益的減小，溫度的降低，當(dāng)PA結(jié)溫小于自動(dòng)限溫點(diǎn)（TFB）時(shí)，PA又將以釋放時(shí)間（Release Time, tR）的速率自動(dòng)增加增益，直到結(jié)溫到達(dá)過(guò)溫限幅點(diǎn)（TFB）。

 

       播放音樂(lè)時(shí)，由于音樂(lè)的隨機(jī)性和瞬態(tài)變化性，PA結(jié)溫的提升也存在一定的隨機(jī)性和瞬態(tài)性，因此上述自動(dòng)限溫功能的開(kāi)啟同樣具有一定的隨機(jī)性和瞬態(tài)性。但正因?yàn)樵摴δ茈S機(jī)、瞬態(tài)的作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于散熱條件一般或較差的系統(tǒng)，具有更多的提升最大瞬時(shí)功率和平均功率的空間，從而滿足小型個(gè)人音響的需求。

        同時(shí)，合理且較低的自動(dòng)限溫點(diǎn)，在提升最大瞬時(shí)功率和平均功率的情況下，仍能保證結(jié)溫低于合理值，確保PA的壽命和品質(zhì)。
      當(dāng)然，在自動(dòng)限溫功能條件下，使用1kHz（或其他固定頻率、粉噪等）信號(hào)、4ohm電阻負(fù)載條件下的持續(xù)最大功率表現(xiàn)的傳統(tǒng)方式來(lái)評(píng)估，由于較低的自動(dòng)限溫點(diǎn)，持續(xù)最大功率表現(xiàn)會(huì)比其他使用超高熱保護(hù)觸發(fā)溫度的產(chǎn)品更為差勁。

2 平衡靈敏度與平均功率-自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control or AGC）功能
第二節(jié)內(nèi)容，我們將在下次文章中分享。

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