增益變化過高導致喇叭損壞

手機上常用的單聲道D類功放采用外接輸出電阻(如圖1)調(diào)節(jié)增益，由于增益誤差引起喇叭損壞，這個問題已逐漸引起手機廠商的關(guān)注。近期，國內(nèi)多家知名手機制造商均有反饋，在手機設(shè)計中采用大增益單聲道D類功放，終端客戶大音量播放聲音，長期使用有損壞喇叭的現(xiàn)象，即使更換了包括國外大廠在內(nèi)的其他芯片，問題仍沒有得到明顯改善。后來改用埃派克森微電子的D類功放A7013，返修現(xiàn)象大幅下降近８０％。

眾所周知，半導體工藝很難獲得絕對值準確的電阻，通常使用的多晶硅電阻的絕對值變化率為±20％，而外部電阻相對來說絕對值較為精準。因此當客戶使用大增益工作的時候，增益容易偏移出喇叭的最大功率范圍，從而引起喇叭損壞。而半導體工藝中很容易獲得電阻相對值匹配的精準，刻意匹配布局就能很容易達到0.1％的匹配精度，我們可以利用這一點來避免由于內(nèi)部電阻偏移引起的增益偏移，具體方案如下：

圖1 傳統(tǒng)增益設(shè)置, 圖2 改進后的增益設(shè)置

方案一：如圖2所示，在保證外部增益可控的同時，片內(nèi)保留10k輸入電阻。(以下假設(shè)片外電阻不會有絕對值偏差)

假設(shè)如圖1中300k芯片內(nèi)部電阻偏移20％，則增益會偏移20％，正常15倍的增益會偏移12到18倍，因此功率會超過額定功率。

Gainmax＝300×120％/20＝18＝15×(1＋20％)

Gainmin＝300×80％/20＝12＝15×(1－20％)

如果采用如圖2改進后的增益設(shè)置，同樣假設(shè)300k電阻偏移20％，則內(nèi)部10k電阻也會同比例偏移20%(由于匹配精度可以達到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％)

所以改進后的方案中，增益最大值偏移9.1％，增益最小值偏移11.1％，遠遠低于改進前20％的偏移水平。

方案二：

通過犧牲芯片成品率的方式，將芯片篩選到電阻漂移10％，同樣改進后的方法也會獲得更精準的增益上限，從而避免了手機廠商增益向大偏移而引起的喇叭損壞。

方案三：

產(chǎn)品也可以通過自動增益控制(AGC)來實現(xiàn)，大功率時避免燒壞喇叭。但這種方案通常成本大大提高。

由此可見，對于D類功放IC設(shè)計公司來說，方案一不會增加成本，并且手機生產(chǎn)廠商在應用時，也可以避免由于增益偏移而使喇叭頻頻被損壞的現(xiàn)象。A7013結(jié)合了方案一和方案二的優(yōu)點，在同類產(chǎn)品中唯一實現(xiàn)了成功而成熟的方案。

此外，針對喇叭損壞的問題，通過研究手機喇叭的響應頻段可以發(fā)現(xiàn)，手機喇叭只能響應300Hz以上的頻段，這就導致300Hz以下頻段的功率都作為熱損耗掉了。改變輸入電容可以改變輸入信號帶寬，濾除不能被喇叭響應的頻段功率，從而降低了峰值功率，對喇叭的可靠性也有一定影響。

改善外部噪聲干擾

圖2中給出的方案對于改善噪聲干擾也有一定的優(yōu)勢。在圖1中，如果客戶布局不慎，在運放輸入端耦合微弱噪聲，則該噪聲會被以運放開環(huán)增益(上萬倍)的倍數(shù)放大，在喇叭中就會出現(xiàn)聽得到的耦合噪聲。而采用圖2中的方案，只要芯片內(nèi)部在運放輸入端做相應考慮，則在外部輸入引腳引入的微弱噪聲只能放大幾十倍，從而大大方便了客戶在這部分的布局。

改善功放音效

近年來人們對于D類功放的通常印象是高電源效率和較差的音質(zhì)，針對D類功放的音質(zhì)，業(yè)界一直有爭論，埃派克森A7013采用自主專利的增強反饋架構(gòu)(EFS)改善D類功放的音質(zhì)。做到高電源效率的同時，又極大改善了D類功放的失真，從而使得D類功放在音質(zhì)和效率方面都獲得極大優(yōu)勢。

如圖3和表1，可以看出EFS技術(shù)改善D類功放失真的作用，在整個功率范圍內(nèi)采用EFS技術(shù)的A7013失真均做到了最低；同時由于高功率THD＋N的改善，A7013在1％以下失真的最大功率方面也有突出表現(xiàn)。

圖3 采用EFS方案對THD＋N的改善。(圖中所引用數(shù)據(jù)均來自產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊)

表1 采用EFS方案其他性能的改善。(表中所引用數(shù)據(jù)均來自相應產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊)

本文小結(jié)

埃派克森D類功放A7013在保持其高效率、低失真的同時，考慮了客戶具體應用中的問題，在可靠性和性能方面提供了完善的解決方案。A7013 具有WCSP9和DFN8兩種封裝，已經(jīng)在手機設(shè)計廠商和品牌客戶中大量應用。