【導讀】Buck轉換器是音頻產品中不可或缺的重要器件。然而音頻系統(tǒng)較為復雜，使得設計一顆合適的Buck轉換器并非易事。本文從音頻產品系統(tǒng)出發(fā)，深入分析Buck的輸入電壓、開關頻率、輕載高效模式、軟起動時間以及引腳布局對音頻系統(tǒng)的影響，并對Texas Instruments當前新一代的Buck方案 – TPS6293x進行了介紹，幫助用戶打造高品質的音頻產品。
1 音頻系統(tǒng)介紹
音頻產品有較多的產品類型，如帶線音箱（桌面音箱、Soundbar、監(jiān)聽音箱）、便攜音箱（藍牙音箱、拉桿音箱）、耳機（頭戴耳機、TWS耳機）等等。其典型系統(tǒng)如Figure 1所示。產品普遍支持多種音頻源，如藍牙、線路路輸入Line in等等，通常需要一個MUX（多路復用器）進行音源切換，之后通過音頻ADC轉換成I2S等數(shù)字音頻接口，便于DSP進行相應的音效處理。處理完畢后通過音頻DAC還原成模擬信號，通過音頻功放來驅動揚聲器發(fā)聲。主控MCU則對整機進行基本的控制，如讀取電位器位置調節(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計上有較大差異。帶線音箱需要從220V 市電取電，一般通過反激拓撲來產生較高的直流電壓給功放供電，之后通過Buck轉換器將電壓降至5V給模擬系統(tǒng)供電，再加一些LDO來產生3.3V或1.8V給數(shù)字部分供電。
便攜音箱則因為帶有電池，因此需要增加charger給電池充電。電池串數(shù)以一串或兩串居多，電池電壓較低，因此需要通過Boost轉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轉換器產生，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轉換器主要指標設計考慮
2.1 輸入電壓
從前述的音頻系統(tǒng)介紹可知，不同音頻產品中Buck的輸入電壓是有區(qū)別的。在便攜音箱產品中，Buck的輸入電壓就是電池電壓，只需要根據(jù)電芯的串數(shù)以及每節(jié)電芯的電壓就可以估算出最高輸入電壓值，電壓相對不高。但是帶線音箱則有很大不同，帶線音箱產品中Buck的輸入電壓Vin是功放的供電電壓PVDD，這個電壓直接決定了音頻產品的輸出功率，因此有必要進一步分析供電電壓和輸出功率的關系。
典型功放驅動電路如Figure 2所示。其中r為功放內阻，R為揚聲器阻抗，Vin為功放的供電電壓。
Figure 2. 功放驅動電路模型
根據(jù)歐姆定律可知，揚聲器R的輸出功率：
（1）
從而換算得到輸入電壓：
（2）
注意到公式(2)對應的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)的基礎上留一定的裕量即可。
不同功放因為內阻不一樣，所以供電電壓的計算會比較繁瑣。一般功放的datasheet都會給出輸出功率和供電電壓的測試曲線，以TPA3116為例，在揚聲器阻抗為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。可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)TPA3116的內阻120mΩ，套入公式(3)中進行計算，其結果和輸出功率/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系曲線
在一些追求大輸出功率的產品上，用戶可能會給功放施加最高的供電電壓，來達到最高的輸出功率，這種場合下考慮Buck的輸入電壓時需要關注功放的最高耐壓。Table 1是TI當前主流功放產品的供電電壓匯總。其中，26.4V及以下的功放占絕大多數(shù)，針對的是中功率及以下的市場，也是市面上應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 開關頻率
通常我們考慮Buck的開關頻率時，主要關注的就是系統(tǒng)效率、外圍尺寸、原件成本等指標。開關頻率高會使得紋波變小，同等指標下可以縮小外圍器件體積，節(jié)省了外圍器件成本，但是開關損耗會相應變大，導致系統(tǒng)效率變差。反之亦然。然而在音頻產品中，除了上述關注點外，開關頻率的選擇還需要考慮其它因素，相對復雜很多。其主要原因，就是因為音頻產品帶有揚聲器，不僅可以播放音樂，也會將一些噪音放出來。因此在音頻產品設計階段，需要綜合考慮多種因素，選取最合適的Buck開關頻率。
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。理所應當?shù)?，Buck的開關頻率應該避免這個頻率范圍，不然容易引起電感嘯叫或電容嘯叫，影響揚聲器的播放效果。實際上，刨除干擾揚聲器的因素，Buck在20kHz的開關頻率工作時，系統(tǒng)需要非常大的電感值和輸出電容來減小紋波，導致產品相對龐大且笨重，競爭力不強。因此20kHz開關頻率的Buck已經(jīng)幾乎絕跡了，絕大部分的開關頻率都在50kHz及以上，其中又以200kHz以上最為常見，這個頻率已經(jīng)完全錯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
當系統(tǒng)上有多個開關型功率器件時，若它們在空間上比較接近，它們的差頻信號可能會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，進一步描述這個現(xiàn)象。Figure 4是TPS54335A的應用電路圖，其開關頻率設定為342kHz。信號源Vnoise代表其它功率器件的開關噪聲，設定其為幅值100mV、頻率為352.8kHz的方波，耦合到TPS54335A的補償腳，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果如Figure 5所示?？梢钥吹?，輸出電壓除了預期的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工作時受到了差頻干擾。
Figure 5. TPS54335A仿真波形
進一步地，利用頻譜分析儀，實測輸出電壓的頻率分量如Figure 6所示?？梢郧逦乜吹?0.4kHz左右的低頻分量的存在，并產生了對應的高次諧波。對于音頻產品而言，這個差頻很有可能通過揚聲器播放出來，即使在不播放音樂的時候依然存在，用戶體驗非常差。因此音頻產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，盡量避免多個開關型功率器件近距離放置；
● 增加濾波器，濾除低頻信號；
● 合理錯開各個開關器件的頻率范圍。
合理布局PCB對產品的layout要求非常高，有可能產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；合理錯開各個開關頻率是不同方案中高效且經(jīng)濟的選擇，能從根源上解決差頻干擾問題。對于音頻系統(tǒng)而言，各個開關頻率至少需要錯開20kHz以上，才不會影響揚聲器播放效果。
以帶線音箱系統(tǒng)為例，根據(jù)前述框圖，其開關型功率器件主要有：
● Flyback: 開關頻率通常低于150kHz，以盡可能降低開關損耗；
● Buck: 開關頻率通常高于200kHz，最高可到MHz級別；
● 功放: 模擬功放的開關頻率較寬，最高也可以達到MHz級別。數(shù)字功放開關頻率則集中在8kHz和384kHz這兩個頻率。
Flyback作為帶線音箱中頻率最低的開關型器件，其頻率和Buck/功放明顯錯開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，需要重點考慮。
實際上，為了保證最佳的THD+N性能，數(shù)字功放開關頻率一般選取為I2S音源采樣率的整數(shù)倍，而I2S音源的標準采樣率是44.1kHz和48kHz，因此功放的開關頻率一般固定為352.8kHz和384kHz，也就是對應44.1kHz和48kHz的8倍?？梢钥吹剑瑪?shù)字功放的開關頻率是不可更改的，想要讓功放和Buck的開關頻率錯開，只能是更改Buck的開關頻率。
因此對于音頻系統(tǒng)，Buck的開關頻率需要和功放錯開20kHz以上。對于數(shù)字功放而言，Buck的開關頻率需要低于332.8kHz（352.8kHz減去20kHz），或者高于404kHz（384kHz加上20kHz）。
2.2.3 頻率誤差
芯片的各項指標都是有范圍的，開關頻率也不例外，實際使用的時候需要加以留意。以TPS54302為例，其開關頻率的典型值是400kHz，這個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會增加擴頻的功能，來幫助用戶通過EMI測試。擴頻會帶來頻率的偏移，同樣需要重視。
Figure 7. TPS54302開關頻率范圍
綜合上述分析，音頻產品的開關頻率需要綜合多方面的因素。Buck最好帶有開關頻率可調的功能，方便用戶結合自己的實際情況，選用最佳的開關頻率。
2.3 輕載高效
隨著節(jié)能環(huán)保的呼聲越來越高，相關的能效標準對電子產品的待機功耗提出了更高的挑戰(zhàn)。美國的六級能效和歐盟能效認證，均要求電子產品的待機功耗低于0.5W。在如此嚴苛的要求下，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。它的原理很簡單，就是當負載降低時，減小系統(tǒng)的開關頻率，進而降低開關損耗，從而提升輕載條件下的效率。只要負載足夠輕，開關頻率就會低于20kHz。但是正如前述所提，20kHz及以下的開關頻率是音頻系統(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最低負載（如電阻），確保Buck的開關頻率始終保持在20kHz以上。其缺點也很明顯，就是無論輕載還是重載，這個最低負載始終存在，并且被白白浪費掉，沒有給真正的負載利用上，導致系統(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Buck的高側MOSFET斷開、低側MOSFET導通后，電感電流開始降低，一旦監(jiān)測到電感電流為零，低側MOSFET將斷開，同時啟動內部的定時器開始計時，并且監(jiān)測對應的FB引腳電壓。假若在預設時間內FB電壓低于閾值，則定時器終止，繼續(xù)下一個PWM周期；若負載足夠輕，導致在預設時間內FB電壓仍未低于閾值，系統(tǒng)將強制開啟低側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。只要合理設計定時器的值，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載，在輕載和重載條件下都實現(xiàn)了高效率，是非常出色的解決方案。
Figure 8. OOA模式原理
2.4 軟起動時間
Buck轉換器啟動的時候需要對輸出電容進行充電，在啟動瞬間，輸出電容的充電電流會達到最大，之后緩慢下降。假若充電電流超過了Buck的過流點，Buck的過流保護就會啟動，芯片啟動失敗。為了確保正常啟動，Buck一般會采用軟起動的辦法。它的原理比較簡單，即通過恒流源對電容進行充電，只要合理設計電流大小和電容值，就可以得到電容達到預設電壓處的時間間隔（也就是軟起動時間），輸出電壓就會按照預設的軟起動時間從0V線性增大至穩(wěn)定值。因此軟起動可以有效減小啟動電流。但是軟起動時間并非越大越好，啟動時間拉長會使得系統(tǒng)響應速度變慢，也會延長產品的開機時間。
對于音頻產品，Buck的負載之一是音頻ADC（如PCM1808），Buck的輸出電壓就是ADC的參考電壓。正如我們所知，ADC轉換結果和參考電壓有如下關系式：
（4）
當參考電壓變動時，ADC的轉換結果會相應變化。因此為了轉換的準確性，通常會盡量減小電壓紋波。增大電容是比較常見的做法，個別用戶甚至會用1000uF的電容來達到優(yōu)秀的轉換效果。這么大的電容并聯(lián)到輸出端時，勢必會增大啟動時的充電電流，因此有必要分析在大輸出電容下Buck需要多大的軟起動時間。
不同軟起動時間下的仿真電路如Figure 9 (a)所示。R1是等效的電容ESR，C1是對應的大電容。Vout是Buck的輸出電壓，根據(jù)軟起動時間的大小分別對Vout進行定義， Figure 9 (b)所示為設定軟起動時間為2ms。
(a). 軟起動仿真電路
(b). 軟起動時間設置
Figure 9. 軟起動仿真電路及參數(shù)設置
依次設定軟起動時間為2ms、3ms、4ms，得到啟動電流波形如Figure 10所示。可以看到，在4ms以上的軟啟動時間時，空載啟動電流相對較小，并留有足夠的帶載啟動空間。因此Buck的軟起動時間最好是在4ms之上。
(a) ss=2ms, Ipk=2.5A
(b) ss=3ms, Ipk=1.7A
(c) ss=4ms, Ipk=1.2A
Figure 10. 軟起動仿真波形對比
2.5 引腳布局
一個好的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應引腳，縮短路徑以減小寄生參數(shù)和回路面積。但有些Buck的引腳位置相對較差，以Figure 11(a)所示為例，其對應的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)。同時地平面被割裂的較為分散，無法達到最佳的散熱效果。假若能對Buck的引腳進行合理優(yōu)化，如Figure 11(c)所示，讓相關功能的電路在空間上相鄰排布，那么layout時將大大縮小走線距離，減小layout的難度，如Figure 11(d)所示，整個布局緊湊有序，同時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). 較差引腳布局對應layout
(c). 較好引腳布局
(d). 較好引腳布局對應layout
Figure 11. 引腳布局對比
3 TPS6293x介紹
TPS6293x是TI于2021年發(fā)布的新一代Buck方案，該系列一共有五個型號，按照電流大小、工作模式以及Pin 7引腳功能進行細分，具體型號分別是TPS62932、TPS62933、TPS62933F、TPS62933P和TPS62933O，彼此差異如Table 2所示。
Table 2. TPS6293x系列產品對比
TPS6293x系列綜合考慮了前述音頻系統(tǒng)的各項設計挑戰(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品需求；
● 開關頻率可調，支持200kHz – 2.2MHz的頻率設定，方便用戶根據(jù)系統(tǒng)靈活選擇開關頻率，避免差頻干擾；
● 全系列有PFM、FCCM以及OOA模式三個版本，滿足用戶多方面的系統(tǒng)要求。其中OOA模式設定系統(tǒng)最低頻率為30kHz，從根源上避免了輕載下的可聽噪聲問題；
● 軟起動時間可通過外部電容調節(jié)，不必再為大輸出電容下的啟動問題而發(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；另外支持擴頻功能，幫助提高EMI性能；高低側MOSFET的內阻只有76mΩ/32mΩ，助力系統(tǒng)在24V轉5V應用下仍有高達90%的轉換效率。
4 總結
本文詳細介紹了音頻產品的系統(tǒng)架構，針對其中的Buck器件，依次從輸入電壓、開關頻率、輕載高效模式、軟起動時間以及引腳布局等方面，深入分析Buck轉換器對音頻系統(tǒng)的影響。并對Texas Instruments當前新一代的Buck方案TPS6293x進行了詳細介紹，幫助用戶構建高品質音頻產品。
5 參考文獻
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
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