如何使用 D 类音频放大器延长电池寿命并降低设备功耗

1.前言

由电池供电音频系统的设计人员希望实现两个目标：延长播放时间和降低成本。虽然较旧的传统 D 类放大器是可靠的，但它们在便携式系统中消耗过多功率，使得这些目标难以实现。

数字输入 D 类放大器已用于电视音频近十年。为电视设计的放大器的问题在于它们不是为了节省功率而设计的。这些放大器设计为在最大输出（通常为 24V 左右）时的效率为 85%。大多数便携式系统和智能扬声器在该电压的一半下运行，运行效率降低到 60% 左右。这意味着从电池发送到放大器的电压中有 40% 对声音输出没有贡献。这意味着放大器会浪费 20% 到 40% 的电池电量作为热量。

对于在线电源运行的智能扬声器，低效的放大器会导致放大器周围的内部温度显着升高，即使在空闲时也是如此。接触外壳时感觉过热的过热也会对其他组件的寿命产生不利影响，导致系统过早出现故障和产品退货。所有这些都会导致制造商失去信任。

将存储在电池中的化学能高效转换为扬声器输出的声能的核心挑战在于管理输出信号的电压需求。解决这个问题将延长电池寿命。许多电池供电的音频系统设计人员正在寻找多种经济实惠的方法来更好地管理放大器的能源需求。TI 明白一种方法无法处理所有电池供电的系统，因此 TI 的新型音频放大器以三种不同的方式降低了功耗。

2.具有内部H类升压控制
1S 电池的 10W 电池供电系统的最佳选择是具有由算法控制的内置超前 H 类升压的放大器。放大器直接连接到电池，算法解释输出信号并控制升压以仅提供所需的电压。前瞻过程通过持续分析音频信号并管理升压输出，同时将功耗保持在一个小范围内，从而将功耗与音频输出相匹配。这种包络跟踪方法可将音频功耗降低多达 40%。我们可以将其视为增强的巡航控制。
如图 1 所示，在 TI 进行的测试表明，这种方法可以将电池寿命延长 40%。

图1 ：H类升压的电池寿命比较

3.Y -bridge 多电平电压输入
Y-bridge 输入适用于空闲时间较长的设备，如智能音箱。此类设备在一天中的大部分时间都处于空闲状态，但放大器在此期间会消耗功率。Y 桥多电平输入在空闲时从 3V 轨消耗功率，并根据需要动态切换到高压轨。图 2 显示了在低电压下工作时的效率增益。连接简单，放大器动态切换，无需软件或外部控制。

· Y 桥是一种创新技术，允许放大器同时连接到高低压输入。例如，我们可以将放大器连接到 3.3V 调节轨和 15V 调节轨。放大器根据提供所需输出电平所需的功率在高电压轨和低电压轨之间动态转换。假设系统中的其他一切都相同，Y 桥提供运行期间所需的所有功率，同时将空闲功耗降低 80% 以上。

图2 ：在低功率水平和待机模式下提高效率

· Hybrid-Pro外部H类升压控制大型蓝牙的扬声器或智能扬声器，在需要更高输出时，系统通过 Hybrid-Pro 外部 H 类控制算法 TI 持续分析音频信号，外部 DC 通过向 / DC 转换器提供反馈，放大器的电压可以根据需要增加。当以低音量播放或需要低输出时，这会降低电压。图 3 显示了这个动态过程的波形。它显示了随着音频信号波动的电压变化。与标准功放相比，Hybrid-Pro 模式可将电池寿命延长 20% 以上。

图3 ：Hybrid-Pro外部H类升压控制

电池供电系统和智能扬声器都有自己的功率要求，但两者都需要传统 D 类放大器无法实现的高效率。TI 的数字输入放大器产品组合可帮助我们延长播放时间并控制成本，同时保持高品质声音。