M3110功放IC小型音响中突破散热/成本的限制提升功率替换TPA3110/AD52068优化方案

	产品名称	M3110/TPA3110/TPA3110D2/AD52068（国产价格货期好）
	封装形式	HSSOP-28
	产品功能	2X15W/16V/8Ω或30W/16V/4Ω
	资料下载	M3110
	应用领域	高保真真音响，蓝牙音箱，拉杆音响，TV功放，便携式音频设备，车载音频设备，多媒体音频系统
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	兼容型号	TPA3110/TPA3110D2 /AD52068/CSC3110

伴随着时代的发展和消费的升级，个人音响已从CD播放机开始，经历了插卡音响、USB音响、蓝牙音响、Wi-Fi音响多种形式，并在近期发展到了集成多种功能的智能音响。另一方面，随着产品形态的多样化，小型便携式音响在个人音响中逐渐流行，而这些小型个人音响由于体积小、间有限，如何在小体积中实现更大的大功率，给工程师设计带来了巨大的挑战。

其实，在个人手机中，由于其功能的丰富和小型化的需求，早已对其中的音响模块提出了小体积、大功率的需求茂捷半导体的工程师们，从新定义了M3110系列音频功放芯片，在大大的提升了音频保真的前提下，增强了其M3110de过问保护能力。在替换TPA3110/AD52068上，有着显著的优势，其在内置升压功能大幅提升功率的同时，加入可靠的扬声器保护功能，基于音乐瞬态变化而平均功率较小的特性，突破小尺寸喇叭的功率极限，使手机中的瞬态功率大大提升，满足可使用空间越来越小的智能手机中进一步提升音质的需求。

那么，在体积逐渐被缩小、成本控制严格、功率需求则不断增长的小型个人音响中，工程师如何才能突破体积限制实现更大功率呢？

为了说明通过 G 类音频放大器实现的电池使用时间增加情况，我们的计算均基于如下值：

• PBATT：电池功率

• VBATT：电池电源电压

• IBATT：电池电源电流

• VDD：DC/DC 转换器输出电压

• PDD：DC/DC 转换器输出功率

• VOUT：负载电压

• RL：负载阻抗

• POUT：负载功耗

• IOUT：负载电流

一个标准的 AB 类放大器中，电源电流等于输出电流 (IBATT = IOUT)。使用 G 类（降压转换器）时，电源电流（电池）为输出电流的一部分，其以公式 IBATT = IDD x VDD/VBATT 表示。

假设一个放大器，驱动 32 Ohm 负载的 200 mVRMS，则负载输出电流为：IOUT = VOUT/RL = 200mVRMS/32Ω = 6.25 mA。假定静态电流为 1 mA (IDDQ)，则放大器吸取的总电流为：IBATT = 7.25 mA。

那么， 类放大器吸取的总功率的计算方法如下（假设为一块 4.2V 的锂离子即Li-Ion 电池）：

PBATT (Class-AB)= VBATT x IBATT = 4.2V x 7.25 mA = 30.45 mW       Eq. 1

就 G 类放大器而言，其电压轨均由一个开关式 DC/DC 转换器产生，供给功率取决于 DC/DC 转换器输出电压和效率。假设 DC/DC 转换器输出电压为 1.3V，则计算方程式为：

PDD = VDD*IDD = 1.3v * 7.25mA = 9.425 mW                                    Eq. 2

总供给功率为 DC/DC 转换器输出功率除以 DC/DC 转换器效率。假设降压效率为90%，则向 G 类放大器提供的总功率为：                   

PBATT (Class-G) = PDD/90% = 11.09 mW                                           Eq. 3

这时，相同条件下，相比 AB 类放大器，G 类耳机放大器吸取的功率少了约 3 倍。功耗的降低程度与 VBATT/VDD 成正比例关系。在我们的举例中，其为 (4.2/1.3)*转换器-效率 = (4.2/1.3)*0.9 = ~3

这里，我们使用由一块锂离子电池供电的完全相同的音频输入，对比两个 AB 类和 G 类耳机放大器。正如我们所观察到的那样，相比 AB类放大器（70 小时），G 类耳机放大器的电池使用时间（150小时）长了 2 倍多。对使用便携式音频设备的终端用户来说，这就意味着更长的音乐播放时间和通话时间。

首先，我们需要了解到的是，个人音响与个人手机不同，其对功率提升的限制主要并不在于其对喇叭尺寸的苛刻限制，而是主要在以下几个方面：  
（1）结构限制和成本控制导致的空间减小和PCB板面积减小，所带来的散热限制。 

（2) 基于成本控制要求，使用低成本蓝牙方案和PA方案，由于蓝牙方案没有或不方便调节DRC，而PA又没有有效的限幅功能，在灵敏度和平均功率之间难以得到理想平衡。

1 突破散热限制-自动限温控制    首先，我们来看一下下图这样一段音乐。

音乐是一段不规则的、混有各种不同频率的信号，图中标明了峰值功率和平均功率，一段音乐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。

正是基于这个原理，NXP的智能功放才能在提升瞬态功率、突破扬声器额定功率的同时，保证扬声器不受损伤，进而提升手机的整理功率和听感。

然而由于传统音响的测试需求带来的习惯，工程师在评估一个结构、空间和成本均具有较大限制的个人音响的功率表现时，仍以1kHz（或其他固定频率、粉噪等）信号、4ohm电阻负载条件下的持续最大功率的表现来评估。

这种评估方式将音乐的峰值功率直接转嫁到整个系统中并持续恒定输出， 且使用另系统效率大大降低（相对于喇叭等感性负载）的纯电阻负载，使得散热设计的挑战更为巨大

。而在客户播放音乐的实际场景中，其平均功率远远达不到这种情况。      基于这种情况，部分国产芯片将热保护的触发温度设在了较高的温度。更高的热保护触发温度，另PA在4ohm纯电阻负载、1kHz信号的恒定功率表现更为优秀，而由于音响工作的大部分情况是在适耳的音乐条件下，超高温的情况几乎很少，PA的寿命也没有较大的变化。

单需要了解的是，

芯片的结温（TJ, 可简单理解为芯片工作时内部的最高温度）超过170℃，芯片的寿命开始受到影响，超过200℃则可能发生损坏风险，因此，芯片普遍的热保护触发温度设在了150℃，TI的部分大功率PA则设定在了170℃左右，而部分不负责任的国产芯片则将其设定在了超过200℃的超高温。

采用这种方式的芯片，在寿命老化试验、正常使用过程中PA损害的风险确大大增加。 基于品质第一的要求，以及客户在散热限制情况下提升功率的需求，深圳市茂捷半导体推出了自动限温控制（Thermal Foldback or TFB）功能的M3110,用来提升音频效果和增加温控，以替换TPA3110/AD52068。AD52068用来提高产品性能，基于常规降噪的智能功放的做法，由于音乐平均功率远远小于峰值功率，在散热具有严重挑战的情况下，客户仍可将PA设定在较大的最大峰值功率（现有散热条件无法满足这种持续的最大峰值功率），PA通过TFB功能使PA在播放音乐时积累的热量在有限的板级散热条件下散去而不至于触发PA热保护而关断，从而自主的找到在该散热条件下足以提供的最大平均功率。即在这种有限散热条件下，PA无法完成持续的最大功率的散热，却能自适应的满足持续的平均功率的散热。 从信号处理和芯片设计的角度上看，音频系统原理并不复杂，因此很多半导体厂商似乎都看

不上音频产品，而去追逐一些量大或者像高清视频处理等高技术含量有技术门槛的产品。 基于茂捷半导体的众多工程师在设计这个高保真音乐重放系统的时候曾经和不同的国内IC设计公司的设计部门沟通过，结果得到的答复都是以;很简单没问题”之类的回复搪塞过去，然而事实上到系统做出来后却往往发现效果不尽如人意。

可以说我们在开发这个系统的几年时间里面由于芯片选型的问题，在硬件性能瓶颈上吃尽了苦头。
 　　以下是我们对处理器芯片的具体要求：1. 速度要在400MHz以上，最好能解码APE C4000的码率；2. 需要能支持USB 2.0 Host/SATA/SD卡；3. 需要支持网络；4. 具有128MB以上的RAM，越大越好；5. 具有256MB或以上的NAND Flash；6. 支持I2S多路输出并可以支持Slave时钟，支持最高768KHz采样率，以及最高32位输出；7. 最好有音频数据后期处理能力；8. 有性能优异的时钟电路和DAC。
 　　芯片能运行的核心速度对解码效率有至关重要的影响，比如音频无损压缩APE C5000解码方式对处理器的要求就很高，以英特尔ATOM 1.6G上网本为例，其解码192k/C5000两声道音乐尚且无法连续播放，何况普通嵌入式系统？因此只能处理较低的码率。无损压缩和MP3不一样，需要还原完全一致的数据流，处理器性能决定了解码的效率，所以太低的核心频率无法胜任此工作。
 　　USB 2.0对硬件的要求相当高，PHY兼容性是一个很大的问题，数据流的效率还是其次。同样，SD卡接口兼容性也是目前国产芯片一个很头疼的问题。SATA的需求把处理器周边外设速度提到了一个较高的位置，毕竟不是谁都能够做1.5G/3G PHY的。
　　系统运行要依存于NAND Flash中存储的程序，但是NAND Flash发展速度却比处理器发展的速度快。

当年定义NAND Flash的时候把ECC设计在外面，让处理器永远落后NAND Flash一段时间，因此NAND Flash转型的时候厂商会因为市场上购买不到芯片而无法出货或者需要高价抢货。

另一方面，随着RAM的改进其成本越来越低，致使高成本SDRAM逐渐减产，因此使用老内存的处理器先天不足，其系统BOM成本比使用新RAM的系统成本高。所以处理器需要支持多种启动方式而不仅限于NAND Flash，同时RAM应顺应目前电脑主流，使用DDR2/DDR3等内存，这样的话更能达到低成本高收益。

1)随着音乐的播放，当PA因环境温度增高、音乐平均功率上升引起温度累积而板级散热不足时，PA结温将逐渐升高，当结温高于自动限温点（Thermal Foldback Trip Point, TFB）时，PA将以启动时间(Attack Time, tA) 的速率自动减小增益，以减小PA功率耗散从而降低结温。 (2)随着增益的减小，温度的降低，当PA结温小于自动限温点（TFB）时，PA又将以释放时间（Release Time, tR）的速率自动增加增益，直到结温到达过温限幅点（TFB）。

播放音乐时，由于音乐的随机性和瞬态变化性，PA结温的提升也存在一定的随机性和瞬态性，因此上述自动限温功能的开启同样具有一定的随机性和瞬态性。但正因为该功能随机、瞬态的作用，在系统设计时，对于散热条件一般或较差的系统，具有更多的提升最大瞬时功率和平均功率的空间，从而满足小型个人音响的需求。        同时，合理且较低的自动限温点，在提升最大瞬时功率和平均功率的情况下，仍能保证结温低于合理值，确保PA的寿命和品质。

*由于晶圆厂家原因，此类方案需特殊定制，具体调整，请垂询相应工程师

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