【導(dǎo)讀】Buck轉(zhuǎn)換器是音頻產(chǎn)品中不可或缺的重要器件。然而音頻系統(tǒng)較為復(fù)雜，使得設(shè)計(jì)一顆合適的Buck轉(zhuǎn)換器并非易事。本文從音頻產(chǎn)品系統(tǒng)出發(fā)，深入分析Buck的輸入電壓、開關(guān)頻率、輕載高效模式、軟起動(dòng)時(shí)間以及引腳布局對(duì)音頻系統(tǒng)的影響，并對(duì)Texas Instruments當(dāng)前新一代的Buck方案 – TPS6293x進(jìn)行了介紹，幫助用戶打造高品質(zhì)的音頻產(chǎn)品。
1 音頻系統(tǒng)介紹
音頻產(chǎn)品有較多的產(chǎn)品類型，如帶線音箱（桌面音箱、Soundbar、監(jiān)聽音箱）、便攜音箱（藍(lán)牙音箱、拉桿音箱）、耳機(jī)（頭戴耳機(jī)、TWS耳機(jī)）等等。其典型系統(tǒng)如Figure 1所示。產(chǎn)品普遍支持多種音頻源，如藍(lán)牙、線路路輸入Line in等等，通常需要一個(gè)MUX（多路復(fù)用器）進(jìn)行音源切換，之后通過音頻ADC轉(zhuǎn)換成I2S等數(shù)字音頻接口，便于DSP進(jìn)行相應(yīng)的音效處理。處理完畢后通過音頻DAC還原成模擬信號(hào)，通過音頻功放來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。主控MCU則對(duì)整機(jī)進(jìn)行基本的控制，如讀取電位器位置調(diào)節(jié)音量、按鍵選擇工作模式、LED顯示系統(tǒng)信息等等。
Figure 1. 音頻系統(tǒng)典型框圖
電源部分，帶線音箱和便攜音箱在設(shè)計(jì)上有較大差異。帶線音箱需要從220V 市電取電，一般通過反激拓?fù)鋪懋a(chǎn)生較高的直流電壓給功放供電，之后通過Buck轉(zhuǎn)換器將電壓降至5V給模擬系統(tǒng)供電，再加一些LDO來產(chǎn)生3.3V或1.8V給數(shù)字部分供電。
便攜音箱則因?yàn)閹в须姵兀虼诵枰黾觕harger給電池充電。電池串?dāng)?shù)以一串或兩串居多，電池電壓較低，因此需要通過Boost轉(zhuǎn)換器將電池電壓抬高后給功放供電。而系統(tǒng)所需要的低壓3.3V則由電池通過Buck轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，再由另一顆LDO降至1.8V。可以看到，無論是帶線音箱還是便攜音箱，Buck都是不可或缺的重要角色。
2 Buck轉(zhuǎn)換器主要指標(biāo)設(shè)計(jì)考慮
2.1 輸入電壓
從前述的音頻系統(tǒng)介紹可知，不同音頻產(chǎn)品中Buck的輸入電壓是有區(qū)別的。在便攜音箱產(chǎn)品中，Buck的輸入電壓就是電池電壓，只需要根據(jù)電芯的串?dāng)?shù)以及每節(jié)電芯的電壓就可以估算出最高輸入電壓值，電壓相對(duì)不高。但是帶線音箱則有很大不同，帶線音箱產(chǎn)品中Buck的輸入電壓Vin是功放的供電電壓PVDD，這個(gè)電壓直接決定了音頻產(chǎn)品的輸出功率，因此有必要進(jìn)一步分析供電電壓和輸出功率的關(guān)系。
典型功放驅(qū)動(dòng)電路如Figure 2所示。其中r為功放內(nèi)阻，R為揚(yáng)聲器阻抗，Vin為功放的供電電壓。
Figure 2. 功放驅(qū)動(dòng)電路模型
根據(jù)歐姆定律可知，揚(yáng)聲器R的輸出功率：
（1）
從而換算得到輸入電壓：
（2）
注意到公式(2)對(duì)應(yīng)的Vin值是RMS值，因此Vin的最大值：
（3）
因此，Buck的輸入電壓，在公式(3)的基礎(chǔ)上留一定的裕量即可。
不同功放因?yàn)閮?nèi)阻不一樣，所以供電電壓的計(jì)算會(huì)比較繁瑣。一般功放的datasheet都會(huì)給出輸出功率和供電電壓的測(cè)試曲線，以TPA3116為例，在揚(yáng)聲器阻抗為8歐姆情況下，其最大輸出功率和供電電壓的曲線如Figure 3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，根據(jù)TPA3116的內(nèi)阻120mΩ，套入公式(3)中進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果和輸出功率/供電電壓的1% THD+N曲線完全吻合。
Figure 3. TPA3116輸出功率和供電電壓關(guān)系曲線
在一些追求大輸出功率的產(chǎn)品上，用戶可能會(huì)給功放施加最高的供電電壓，來達(dá)到最高的輸出功率，這種場(chǎng)合下考慮Buck的輸入電壓時(shí)需要關(guān)注功放的最高耐壓。Table 1是TI當(dāng)前主流功放產(chǎn)品的供電電壓匯總。其中，26.4V及以下的功放占絕大多數(shù)，針對(duì)的是中功率及以下的市場(chǎng)，也是市面上應(yīng)用非常廣泛的音頻方案。
Table 1. TI主流功放供電電壓匯總
2.2 開關(guān)頻率
通常我們考慮Buck的開關(guān)頻率時(shí)，主要關(guān)注的就是系統(tǒng)效率、外圍尺寸、原件成本等指標(biāo)。開關(guān)頻率高會(huì)使得紋波變小，同等指標(biāo)下可以縮小外圍器件體積，節(jié)省了外圍器件成本，但是開關(guān)損耗會(huì)相應(yīng)變大，導(dǎo)致系統(tǒng)效率變差。反之亦然。然而在音頻產(chǎn)品中，除了上述關(guān)注點(diǎn)外，開關(guān)頻率的選擇還需要考慮其它因素，相對(duì)復(fù)雜很多。其主要原因，就是因?yàn)橐纛l產(chǎn)品帶有揚(yáng)聲器，不僅可以播放音樂，也會(huì)將一些噪音放出來。因此在音頻產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，需要綜合考慮多種因素，選取最合適的Buck開關(guān)頻率。
2.2.1 人耳可聽頻率
眾所周知，人耳可聽的聲音頻率范圍是20Hz到20kHz。理所應(yīng)當(dāng)?shù)?，Buck的開關(guān)頻率應(yīng)該避免這個(gè)頻率范圍，不然容易引起電感嘯叫或電容嘯叫，影響揚(yáng)聲器的播放效果。實(shí)際上，刨除干擾揚(yáng)聲器的因素，Buck在20kHz的開關(guān)頻率工作時(shí)，系統(tǒng)需要非常大的電感值和輸出電容來減小紋波，導(dǎo)致產(chǎn)品相對(duì)龐大且笨重，競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。因此20kHz開關(guān)頻率的Buck已經(jīng)幾乎絕跡了，絕大部分的開關(guān)頻率都在50kHz及以上，其中又以200kHz以上最為常見，這個(gè)頻率已經(jīng)完全錯(cuò)開了人耳可聽頻率范圍，因此可以放心使用。
2.2.2 差頻干擾
當(dāng)系統(tǒng)上有多個(gè)開關(guān)型功率器件時(shí)，若它們?cè)诳臻g上比較接近，它們的差頻信號(hào)可能會(huì)耦合出來并以噪聲的形式干擾彼此的正常工作，這就是差頻干擾現(xiàn)象。我們以TPS54335A為例，進(jìn)一步描述這個(gè)現(xiàn)象。Figure 4是TPS54335A的應(yīng)用電路圖，其開關(guān)頻率設(shè)定為342kHz。信號(hào)源Vnoise代表其它功率器件的開關(guān)噪聲，設(shè)定其為幅值100mV、頻率為352.8kHz的方波，耦合到TPS54335A的補(bǔ)償腳，模擬差頻干擾。
Figure 4. TPS54335A差頻干擾電路模型
利用TINA-TI工具，我們可以看到仿真結(jié)果如Figure 5所示?？梢钥吹?，輸出電壓除了預(yù)期的342kHz高頻紋波外，還有10.8kHz左右的低頻紋波，而這10.8kHz正是352.8kHz與342kHz之差，表明TPS54335A工作時(shí)受到了差頻干擾。
Figure 5. TPS54335A仿真波形
進(jìn)一步地，利用頻譜分析儀，實(shí)測(cè)輸出電壓的頻率分量如Figure 6所示。可以清晰地看到10.4kHz左右的低頻分量的存在，并產(chǎn)生了對(duì)應(yīng)的高次諧波。對(duì)于音頻產(chǎn)品而言，這個(gè)差頻很有可能通過揚(yáng)聲器播放出來，即使在不播放音樂的時(shí)候依然存在，用戶體驗(yàn)非常差。因此音頻產(chǎn)品需要重視差頻干擾問題。
Figure 6. 輸出電壓頻譜分析
常見的優(yōu)化差頻干擾問題的措施主要有：
● 合理布局PCB，盡量避免多個(gè)開關(guān)型功率器件近距離放置；
● 增加濾波器，濾除低頻信號(hào)；
● 合理錯(cuò)開各個(gè)開關(guān)器件的頻率范圍。
合理布局PCB對(duì)產(chǎn)品的layout要求非常高，有可能產(chǎn)品需要來回改版好幾次才能解決，效率不高；增加濾波器雖然可行，但也增加了硬件成本；合理錯(cuò)開各個(gè)開關(guān)頻率是不同方案中高效且經(jīng)濟(jì)的選擇，能從根源上解決差頻干擾問題。對(duì)于音頻系統(tǒng)而言，各個(gè)開關(guān)頻率至少需要錯(cuò)開20kHz以上，才不會(huì)影響揚(yáng)聲器播放效果。
以帶線音箱系統(tǒng)為例，根據(jù)前述框圖，其開關(guān)型功率器件主要有：
● Flyback: 開關(guān)頻率通常低于150kHz，以盡可能降低開關(guān)損耗；
● Buck: 開關(guān)頻率通常高于200kHz，最高可到MHz級(jí)別；
● 功放: 模擬功放的開關(guān)頻率較寬，最高也可以達(dá)到MHz級(jí)別。數(shù)字功放開關(guān)頻率則集中在8kHz和384kHz這兩個(gè)頻率。
Flyback作為帶線音箱中頻率最低的開關(guān)型器件，其頻率和Buck/功放明顯錯(cuò)開20kHz以上，可以放心使用。而Buck和功放的頻率范圍則有重疊，尤其是數(shù)字功放，需要重點(diǎn)考慮。
實(shí)際上，為了保證最佳的THD+N性能，數(shù)字功放開關(guān)頻率一般選取為I2S音源采樣率的整數(shù)倍，而I2S音源的標(biāo)準(zhǔn)采樣率是44.1kHz和48kHz，因此功放的開關(guān)頻率一般固定為352.8kHz和384kHz，也就是對(duì)應(yīng)44.1kHz和48kHz的8倍?？梢钥吹剑瑪?shù)字功放的開關(guān)頻率是不可更改的，想要讓功放和Buck的開關(guān)頻率錯(cuò)開，只能是更改Buck的開關(guān)頻率。
因此對(duì)于音頻系統(tǒng)，Buck的開關(guān)頻率需要和功放錯(cuò)開20kHz以上。對(duì)于數(shù)字功放而言，Buck的開關(guān)頻率需要低于332.8kHz（352.8kHz減去20kHz），或者高于404kHz（384kHz加上20kHz）。
2.2.3 頻率誤差
芯片的各項(xiàng)指標(biāo)都是有范圍的，開關(guān)頻率也不例外，實(shí)際使用的時(shí)候需要加以留意。以TPS54302為例，其開關(guān)頻率的典型值是400kHz，這個(gè)頻率理論上是可以和352.8kHz的功放搭配使用的，但是TPS54302的datasheet表明，其開關(guān)頻率范圍是290kHz – 510kHz，和352.8kHz有重疊，如Figure 7所示，依然有可能發(fā)生差頻干擾現(xiàn)象。另外有些Buck會(huì)增加擴(kuò)頻的功能，來幫助用戶通過EMI測(cè)試。擴(kuò)頻會(huì)帶來頻率的偏移，同樣需要重視。
Figure 7. TPS54302開關(guān)頻率范圍
綜合上述分析，音頻產(chǎn)品的開關(guān)頻率需要綜合多方面的因素。Buck最好帶有開關(guān)頻率可調(diào)的功能，方便用戶結(jié)合自己的實(shí)際情況，選用最佳的開關(guān)頻率。
2.3 輕載高效
隨著節(jié)能環(huán)保的呼聲越來越高，相關(guān)的能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子產(chǎn)品的待機(jī)功耗提出了更高的挑戰(zhàn)。美國(guó)的六級(jí)能效和歐盟能效認(rèn)證，均要求電子產(chǎn)品的待機(jī)功耗低于0.5W。在如此嚴(yán)苛的要求下，具有輕載高效功能（PFM）的器件將發(fā)揮重要的作用，Buck也不例外。它的原理很簡(jiǎn)單，就是當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，減小系統(tǒng)的開關(guān)頻率，進(jìn)而降低開關(guān)損耗，從而提升輕載條件下的效率。只要負(fù)載足夠輕，開關(guān)頻率就會(huì)低于20kHz。但是正如前述所提，20kHz及以下的開關(guān)頻率是音頻系統(tǒng)所不愿意碰到的，因此音頻系統(tǒng)常見的做法是外掛一個(gè)最低負(fù)載（如電阻），確保Buck的開關(guān)頻率始終保持在20kHz以上。其缺點(diǎn)也很明顯，就是無論輕載還是重載，這個(gè)最低負(fù)載始終存在，并且被白白浪費(fèi)掉，沒有給真正的負(fù)載利用上，導(dǎo)致系統(tǒng)整體效率略有降低。
TI于2019年提出Out-of-Audio（OOA）模式，以解決輕載條件下的可聽噪聲問題。其工作原理如Figure 8所示。當(dāng)Buck的高側(cè)MOSFET斷開、低側(cè)MOSFET導(dǎo)通后，電感電流開始降低，一旦監(jiān)測(cè)到電感電流為零，低側(cè)MOSFET將斷開，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部的定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，并且監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)的FB引腳電壓。假若在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)FB電壓低于閾值，則定時(shí)器終止，繼續(xù)下一個(gè)PWM周期；若負(fù)載足夠輕，導(dǎo)致在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)FB電壓仍未低于閾值，系統(tǒng)將強(qiáng)制開啟低側(cè)MOSFET，將FB電壓快速泄放至閾值以下（類似FCCM模式），然后繼續(xù)下一個(gè)PWM周期。因此，這種模式的系統(tǒng)有了最小頻率值。只要合理設(shè)計(jì)定時(shí)器的值，就可以確保系統(tǒng)在輕載條件下頻率依然超過20kHz。OOA模式不需要添加最低負(fù)載，在輕載和重載條件下都實(shí)現(xiàn)了高效率，是非常出色的解決方案。
Figure 8. OOA模式原理
2.4 軟起動(dòng)時(shí)間
Buck轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)的時(shí)候需要對(duì)輸出電容進(jìn)行充電，在啟動(dòng)瞬間，輸出電容的充電電流會(huì)達(dá)到最大，之后緩慢下降。假若充電電流超過了Buck的過流點(diǎn)，Buck的過流保護(hù)就會(huì)啟動(dòng)，芯片啟動(dòng)失敗。為了確保正常啟動(dòng)，Buck一般會(huì)采用軟起動(dòng)的辦法。它的原理比較簡(jiǎn)單，即通過恒流源對(duì)電容進(jìn)行充電，只要合理設(shè)計(jì)電流大小和電容值，就可以得到電容達(dá)到預(yù)設(shè)電壓處的時(shí)間間隔（也就是軟起動(dòng)時(shí)間），輸出電壓就會(huì)按照預(yù)設(shè)的軟起動(dòng)時(shí)間從0V線性增大至穩(wěn)定值。因此軟起動(dòng)可以有效減小啟動(dòng)電流。但是軟起動(dòng)時(shí)間并非越大越好，啟動(dòng)時(shí)間拉長(zhǎng)會(huì)使得系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，也會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的開機(jī)時(shí)間。
對(duì)于音頻產(chǎn)品，Buck的負(fù)載之一是音頻ADC（如PCM1808），Buck的輸出電壓就是ADC的參考電壓。正如我們所知，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果和參考電壓有如下關(guān)系式：
（4）
當(dāng)參考電壓變動(dòng)時(shí)，ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果會(huì)相應(yīng)變化。因此為了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，通常會(huì)盡量減小電壓紋波。增大電容是比較常見的做法，個(gè)別用戶甚至?xí)?000uF的電容來達(dá)到優(yōu)秀的轉(zhuǎn)換效果。這么大的電容并聯(lián)到輸出端時(shí)，勢(shì)必會(huì)增大啟動(dòng)時(shí)的充電電流，因此有必要分析在大輸出電容下Buck需要多大的軟起動(dòng)時(shí)間。
不同軟起動(dòng)時(shí)間下的仿真電路如Figure 9 (a)所示。R1是等效的電容ESR，C1是對(duì)應(yīng)的大電容。Vout是Buck的輸出電壓，根據(jù)軟起動(dòng)時(shí)間的大小分別對(duì)Vout進(jìn)行定義， Figure 9 (b)所示為設(shè)定軟起動(dòng)時(shí)間為2ms。
(a). 軟起動(dòng)仿真電路
(b). 軟起動(dòng)時(shí)間設(shè)置
Figure 9. 軟起動(dòng)仿真電路及參數(shù)設(shè)置
依次設(shè)定軟起動(dòng)時(shí)間為2ms、3ms、4ms，得到啟動(dòng)電流波形如Figure 10所示?？梢钥吹剑?ms以上的軟啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，空載啟動(dòng)電流相對(duì)較小，并留有足夠的帶載啟動(dòng)空間。因此Buck的軟起動(dòng)時(shí)間最好是在4ms之上。
(a) ss=2ms, Ipk=2.5A
(b) ss=3ms, Ipk=1.7A
(c) ss=4ms, Ipk=1.2A
Figure 10. 軟起動(dòng)仿真波形對(duì)比
2.5 引腳布局
一個(gè)好的Buck電路，除了正確配置好原理圖，其layout也非常重要。一般layout需要盡可能將外圍器件靠近對(duì)應(yīng)引腳，縮短路徑以減小寄生參數(shù)和回路面積。但有些Buck的引腳位置相對(duì)較差，以Figure 11(a)所示為例，其對(duì)應(yīng)的layout 效果如Figure 11(b)?？梢钥吹骄植繀^(qū)域必須要在底層走線，增大了線路距離和寄生參數(shù)。同時(shí)地平面被割裂的較為分散，無法達(dá)到最佳的散熱效果。假若能對(duì)Buck的引腳進(jìn)行合理優(yōu)化，如Figure 11(c)所示，讓相關(guān)功能的電路在空間上相鄰排布，那么layout時(shí)將大大縮小走線距離，減小layout的難度，如Figure 11(d)所示，整個(gè)布局緊湊有序，同時(shí)在底層有完整的地平面，PCB的散熱性能非常好。
(a). 較差引腳布局
(b). 較差引腳布局對(duì)應(yīng)layout
(c). 較好引腳布局
(d). 較好引腳布局對(duì)應(yīng)layout
Figure 11. 引腳布局對(duì)比
3 TPS6293x介紹
TPS6293x是TI于2021年發(fā)布的新一代Buck方案，該系列一共有五個(gè)型號(hào)，按照電流大小、工作模式以及Pin 7引腳功能進(jìn)行細(xì)分，具體型號(hào)分別是TPS62932、TPS62933、TPS62933F、TPS62933P和TPS62933O，彼此差異如Table 2所示。
Table 2. TPS6293x系列產(chǎn)品對(duì)比
TPS6293x系列綜合考慮了前述音頻系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并提出了出色的解決方案：
● 輸入電壓最高支持30V，完全可以覆蓋中功率及以下音頻產(chǎn)品需求；
● 開關(guān)頻率可調(diào)，支持200kHz – 2.2MHz的頻率設(shè)定，方便用戶根據(jù)系統(tǒng)靈活選擇開關(guān)頻率，避免差頻干擾；
● 全系列有PFM、FCCM以及OOA模式三個(gè)版本，滿足用戶多方面的系統(tǒng)要求。其中OOA模式設(shè)定系統(tǒng)最低頻率為30kHz，從根源上避免了輕載下的可聽噪聲問題；
● 軟起動(dòng)時(shí)間可通過外部電容調(diào)節(jié)，不必再為大輸出電容下的啟動(dòng)問題而發(fā)愁；
● 合理布局引腳，如Figure 12所示。外圍走線距離可以做的很短，減小了寄生參數(shù)；同時(shí)走線全部在頂層完成，在底層有完整的地平面，散熱能力出色。
(a). TPS62933引腳布局(b). TPS62933 Layout
Figure 12. TPS62933引腳布局及Layout
除此之外，TPS6293x在使能狀態(tài)下的靜態(tài)電流只有12uA，功耗能力出色；另外支持?jǐn)U頻功能，幫助提高EMI性能；高低側(cè)MOSFET的內(nèi)阻只有76mΩ/32mΩ，助力系統(tǒng)在24V轉(zhuǎn)5V應(yīng)用下仍有高達(dá)90%的轉(zhuǎn)換效率。
4 總結(jié)
本文詳細(xì)介紹了音頻產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)，針對(duì)其中的Buck器件，依次從輸入電壓、開關(guān)頻率、輕載高效模式、軟起動(dòng)時(shí)間以及引腳布局等方面，深入分析Buck轉(zhuǎn)換器對(duì)音頻系統(tǒng)的影響。并對(duì)Texas Instruments當(dāng)前新一代的Buck方案TPS6293x進(jìn)行了詳細(xì)介紹，幫助用戶構(gòu)建高品質(zhì)音頻產(chǎn)品。
5 參考文獻(xiàn)
1. TPS62933 datasheet 2022, Texas Instruments Inc.
2. Understanding OOATm Operation, SLUA946, Zhao Ma, Henry Xie, Jason Wang, Eric Guo, Texas Instruments Inc.
來源：TI
作者：Wiky Liao
免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
驅(qū)動(dòng)芯片在應(yīng)用中的常見問題分析與解決
BQ25798+TPS25221鋰電池和超級(jí)電容充電方案
