利用小功率D类方案A7013解决多媒体手机实际应用问题

内容摘要：
D类音频放大器在手机多媒体设计中的应用。

解决方案：
手机设计中的D类功放解决方案

出色的音频功能已是手机的重要特征，尤其是在多媒体手机中，高质量的音频技术不可或缺。在音乐手机这类多媒体手机中，D类音频放大器是最合适的方案，它具有效率高、发热少、功耗低，电池使用寿命长等优点。而线性AB类放大器则拥有低成本优势。但是不论是D类功放，还是AB类功放都需要贴近手机的实际应用。在实际应用中出现了很多需要解决的问题，而只有解决了这些问题才能使D类功放真正得以大量推广。本文讨论了手机上常用的单声道D类功放容易出现的问题，并介绍埃派克森小功率D类功放A7013如何解决这些问题。

增益变化过高导致喇叭损坏

手机上常用的单声道D类功放采用外接输出电阻调节增益，由于增益误差引起喇叭损坏，这个问题已逐渐引起手机厂商的关注。近期，国内多家知名手机制造商均有反馈，在手机设计中采用大增益单声道D类功放，终端客户大音量播放声音，长期使用有损坏喇叭的现象，即使更换了包括国外大厂在内的其他芯片，问题仍没有得到明显改善。后来改用埃派克森微电子的D类功放A7013，返修现象大幅下降近８０％。

众所周知，半导体工艺很难获得绝对值准确的电阻，通常使用的多晶硅电阻的绝对值变化率为±20％，而外部电阻相对来说绝对值较为精准。因此当客户使用大增益工作的时候，增益容易偏移出喇叭的最大功率范围，从而引起喇叭损坏。而半导体工艺中很容易获得电阻相对值匹配的精准，刻意匹配布局就能很容易达到0.1％的匹配精度，我们可以利用这一点来避免由于内部电阻偏移引起的增益偏移，具体方案如下：

方案一：如图2所示，在保证外部增益可控的同时，片内保留10k输入电阻。(以下假设片外电阻不会有绝对值偏差)

假设如图1中300k芯片内部电阻偏移20％，则增益会偏移20％，正常15倍的增益会偏移12到18倍，因此功率会超过额定功率。

Gainmax＝300×120％/20＝18＝15×(1＋20％)

Gainmin＝300×80％/20＝12＝15×(1－20％)

如果采用如图2改进后的增益设置，同样假设300k电阻偏移20％，则内部10k电阻也会同比例偏移20%(由于匹配精度可以达到0.1％)。

Gainmax＝300×120％/(10+10×120％)＝16.36＝15×(1＋9.1％)

Gainmin＝300×80％/(10＋10×80％)＝13.33＝15×(1－11.1％)

所以改进后的方案中，增益最大值偏移9.1％，增益最小值偏移11.1％，远远低于改进前20％的偏移水平。

方案二：

通过牺牲芯片成品率的方式，将芯片筛选到电阻漂移10％，同样改进后的方法也会获得更精准的增益上限，从而避免了手机厂商增益向大偏移而引起的喇叭损坏。

方案三：

产品也可以通过自动增益控制(AGC)来实现，大功率时避免烧坏喇叭。但这种方案通常成本大大提高。

由此可见，对于D类功放IC设计公司来说，方案一不会增加成本，并且手机生产厂商在应用时，也可以避免由于增益偏移而使喇叭频频被损坏的现象。A7013结合了方案一和方案二的优点，在同类产品中唯一实现了成功而成熟的方案。

此外，针对喇叭损坏的问题，通过研究手机喇叭的响应频段可以发现，手机喇叭只能响应300Hz以上的频段，这就导致300Hz以下频段的功率都作为热损耗掉了。改变输入电容可以改变输入信号带宽，滤除不能被喇叭响应的频段功率，从而降低了峰值功率，对喇叭的可靠性也有一定影响。

改善外部噪声干扰

图2中给出的方案对于改善噪声干扰也有一定的优势。在图1中，如果客户布局不慎，在运放输入端耦合微弱噪声，则该噪声会被以运放开环增益(上万倍)的倍数放大，在喇叭中就会出现听得到的耦合噪声。而采用图2中的方案，只要芯片内部在运放输入端做相应考虑，则在外部输入引脚引入的微弱噪声只能放大几十倍，从而大大方便了客户在这部分的布局。

改善功放音效

近年来人们对于D类功放的通常印象是高电源效率和较差的音质，针对D类功放的音质，业界一直有争论，埃派克森A7013采用自主专利的增强反馈架构(EFS)改善D类功放的音质。做到高电源效率的同时，又极大改善了D类功放的失真，从而使得D类功放在音质和效率方面都获得极大优势。
如图3和表1，可以看出EFS技术改善D类功放失真的作用，在整个功率范围内采用EFS技术的A7013失真均做到了最低；同时由于高功率THD＋N的改善，A7013在1％以下失真的最大功率方面也有突出表现。

由此可见，对于D类功放IC设计公司来说，方案一不会增加成本，并且手机生产厂商在应用时，也可以避免由于增益偏移而使喇叭频频被损坏的现象。A7013结合了方案一和方案二的优点，在同类产品中唯一实现了成功而成熟的方案。

此外，针对喇叭损坏的问题，通过研究手机喇叭的响应频段可以发现，手机喇叭只能响应300Hz以上的频段，这就导致300Hz以下频段的功率都作为热损耗掉了。改变输入电容可以改变输入信号带宽，滤除不能被喇叭响应的频段功率，从而降低了峰值功率，对喇叭的可靠性也有一定影响。

改善外部噪声干扰

图2中给出的方案对于改善噪声干扰也有一定的优势。在图1中，如果客户布局不慎，在运放输入端耦合微弱噪声，则该噪声会被以运放开环增益(上万倍)的倍数放大，在喇叭中就会出现听得到的耦合噪声。而采用图2中的方案，只要芯片内部在运放输入端做相应考虑，则在外部输入引脚引入的微弱噪声只能放大几十倍，从而大大方便了客户在这部分的布局。

改善功放音效

近年来人们对于D类功放的通常印象是高电源效率和较差的音质，针对D类功放的音质，业界一直有争论，埃派克森A7013采用自主专利的增强反馈架构(EFS)改善D类功放的音质。做到高电源效率的同时，又极大改善了D类功放的失真，从而使得D类功放在音质和效率方面都获得极大优势。

如图3和表1，可以看出EFS技术改善D类功放失真的作用，在整个功率范围内采用EFS技术的A7013失真均做到了最低；同时由于高功率THD＋N的改善，A7013在1％以下失真的最大功率方面也有突出表现。
 

图3 采用EFS方案对THD＋N的改善。(图中所引用数据均来自产品数据手册)

表1 采用EFS方案其他性能的改善。(表中所引用数据均来自相应产品数据手册)

本文小结

埃派克森D类功放A7013在保持其高效率、低失真的同时，考虑了客户具体应用中的问题，在可靠性和性能方面提供了完善的解决方案。A7013 具有WCSP9和DFN8两种封装，已经在手机设计厂商和品牌客户中大量应用。