为音频放大器选择合适的带内部或外部扬声器

选择合适的放大器总会涉及在系统类型、成本和性能之间做出权衡。设备性能包括音频性能、热性能和功能设置。在这篇博文中，我们将讨论如何指定系统额定功率以及如何选择合适的放大器集成电路器件（IC）用于电声棒、家庭影院系统、有源音箱或其他产品。

  大多数TI的高功率D类放大器（其实大部分产品为D类放大器）的设计可连续输出数据表中额定的满功率，前提是系统的散热解决方案可提供充分的散热，以保持设备处于工作温度范围内，特别是可保持设备数据表指定的温度范围。满足解决方案散热要求的热系统将取决于散热器尺寸；强制/不强制气流；设备和散热器之间的热界面；及最重要的是，为系统传递指定热试验（或功率测试）的要求。

  持续功率测试的热系统要求取决于特定输出功率/测试条件下放大器的功耗。设备功率损耗取决于在特定输出功率电平条件下的放大器效率。D类放大器通常在高输出功率条件下能达到90％或以上的效率，但在空闲损耗和低输出功率方面，放大器具有更多变化。空闲损耗和高功率效率既取决于MOSFET的尺寸（RDSON），也取决于放大器的栅极驱动设计。图1所示为与TI的TPA3251D2放大器IC的输出功率相比的功率效率和功率损耗的示例。

图1：TPA3251D2电源效率和功率损耗与输出功率示例

  一般情况下，音频信号具有大的波峰因数（平均值和峰值功率之间的比值），并通常被认为具有瞬态低平均功率。图2所示为从一首音乐产生的振幅容量示例。由于音频瞬变往往很短，因此尽管振幅高，它们也不会显著促成系统功率损耗和发热。

图2：音乐波形的示例

 

  波峰因数暗指若系统设计播放恒定正弦波，音频回放系统的热要求将会降低，这很可能仅在实验室测试设置时发生。在1/8的最大输出功率条件下，当对系统进行热测试时，功率检测常被用作音频材料的替代物。

  此外，您还必须考虑到放大器的实际负载阻抗，因为放大器输出功率将取决于其负载阻抗。对于现实中的扬声器，负载阻抗取决于扬声器的机电性能、其外壳和分频网络，并且在频率侧不会变平。相比通过对应于扬声器最小阻抗的欧姆负载阻抗抽取的功率（通常用于测试），这将进一步降低放大器的平均输出功率。

图3：扬声器阻抗（倒相式音箱）示例

 

  我们将再次使用TI的TPA3251D2 D类放大器及TI的TPA3250D2作为示例，帮助解释如何在不同的温度条件下操作放大器。这两种设备在类似封装中具有等效晶粒，但TPA3250D2在印刷电路板（PCB）（垫板朝下）具有一个热界面，而与散热器（垫板朝上）相接的TPA3251D2用于冷却设备。垫板朝上设备的散热系统使用散热器，相比使用PCB冷却设备的垫板朝下设备可更有效地为设备散热。选择一个集成线路时，则需要考虑这是否是一个重要的特点，因为散热器成本高，它的使用成本也更加昂贵。

  表1比较了TPA3250D2和TPA3251D2。这两种设备都可在相同的电源电压轨操作，并输出相同的峰值电流。在音频系统中，这些设备同样可大声播放，并且同样适合多数扬声器负载。然而，若系统的功率测试要求需要大的连续输出功率，或者若该系统具有负载阻抗未知的外部扬声器，如家庭影院系统，垫板朝上款将提供更多的散热空间，可能是此类系统的正确选择。

  对于具有集成扬声器系统（电声棒、有源扬声器）的系统来讲，由于散热器成本降低，垫板朝下款的整体系统成本更低，并因此可能成为优选使用设备，前提是扬声器负载和功率处于其导热能力范围。

表1：TPA3250D2和TPA3251D2对比

  设计具有最佳音频质量的系统时，选择正确的放大器非常重要。TPA3250D2与TPA3251D2来自同一设备系列，两者都可在高功率系统中实现高品质的听觉体验。然而，设计系统时，选择最适合实际系统及其热需求的正确放大器很重要。如设备垫板朝上和垫板朝下款稍有差别，将影响系统成本和热性能。若为TPA3250D2和TPA3251D2，该设备的垫板朝上和垫板朝下款在声音质量或系统效率方面差异不大。