Potencia de audio
Una cosa que se encuentra en el amplio campo de la ingeniería eléctrica es que diferentes industrias e incluso empresas pueden usar diferentes lenguajes para describir el mismo tema. Para un diseño exitoso, los ingenieros de potencia y audio deben entenderse entre sí.
Los dos primeros términos que deben definirse son potencia máxima y potencia continua. La potencia máxima es la potencia de audio instantánea de ZD. Determinará cuánta energía está diseñada para la fuente de alimentación de salida física. La potencia continua es la potencia de audio promediada durante un período de tiempo. En el contexto del diseño de la fuente de alimentación, la potencia continua es la potencia de salida especificada que el sistema puede proporcionar sin exceder la temperatura del componente o la corriente nominal promedio. La Figura 1 proporciona ejemplos de niveles de audio máximos y continuos. Están relacionados con el factor de cresta, que es una medida de la relación entre el valor máximo de una forma de onda y el valor cuadrático medio (RMS).
Figura 1 Este gráfico muestra los niveles de audio de potencia máxima y continua.
También se puede expresar en decibelios utilizando la siguiente ecuación:
Fórmula para calcular el nivel de audio
RMS es un nombre inapropiado para la potencia de audio, porque este valor no es técnicamente un valor RMS calculado de la forma de onda de potencia. Puede escribir otro artículo sobre cómo especificar la complejidad de los amplificadores de audio. Comprender los estándares de la industria para los niveles de potencia nominal del amplificador no aclara necesariamente cuáles son los requisitos de potencia en términos de potencia máxima y continua.
Por ejemplo, considere el diseño del convertidor resonante de la serie LLC (LLC-SRC) para un amplificador de audio de 400 W. Sin conocimientos previos de sistemas de audio, puede diseñar una excelente fuente de alimentación de 400 W. Pero cuando es necesario encender el amplificador, la fuente de alimentación falla o la calidad del audio es deficiente. La curva de ganancia del convertidor LLC generalmente se diseña de acuerdo con la carga ZD y funciona cerca de la frecuencia resonante en serie en condiciones de línea ZX. Este método generalmente produce un LLC-SRC perfecto de 400 W, pero en un sistema de audio real, la potencia máxima en realidad será mayor que la clasificación de 400 W del amplificador. Antes de comenzar con el diseño de la fuente de alimentación, se debe especificar al menos la potencia continua y la potencia máxima.
Para el ejemplo del amplificador de 400 W, el nivel de potencia adecuado para que los productos de consumo reproduzcan música comprimida puede ser de 200 W de potencia continua y 800 W de potencia máxima durante 15 milisegundos. Esto representa un factor de cresta de 12 dB, que es un valor típico para procesar música. El audio sin procesar tiene entre 18 y 20 dB, y el audio de las películas puede superar los 20 dB. Al final, la relación entre la potencia máxima y la potencia continua depende de la aplicación específica, por lo que es muy importante definirlos claramente al principio del proceso de diseño. Los requisitos de duración para diferentes niveles de carga también ayudan a optimizar el diseño. Tenga en cuenta que se debe considerar la eficiencia del amplificador de audio, ya que habrá pérdidas en el amplificador, lo que resultará en una mayor carga en la fuente de alimentación.
Diseño LLC-SRC
Después de determinar las especificaciones, puede continuar con el diseño de la fuente de alimentación. Según los estándares de calidad de la energía de la región y la aplicación, es posible que necesite una fuente de alimentación con corrección del factor de potencia (PFC) para este diseño de nivel de potencia. El extremo frontal del PFC proporcionará un bus estable de 400 V CC para usar como entrada de LLC-SRC.
Como la mayoría de los convertidores resonantes, el paso DY del diseño LLC-SRC es seleccionar los componentes del tanque resonante. Esto establecerá la frecuencia de resonancia y dará forma a la curva de ganancia. En este paso, asegúrese de que la salida voltaje puede alcanzar el nivel máximo de potencia. Si el tanque resonante no puede alcanzar la ganancia requerida, el voltaje de salida caerá en el pico de audio, reduciendo así la calidad del audio o apagando el amplificador. Para salida condensadores, los requisitos de duración de la potencia máxima suelen ser demasiado largos para mantener el voltaje de salida, por lo que la fuente de alimentación debe poder proporcionar la carga máxima completa.
Agregue un poco de espacio adicional a la ganancia máxima. Las limitaciones físicas de la estructura del transformador no siempre alcanzan el número exacto de vueltas o inductancia. Para diseños de audio que requieren un pico de potencia alto, es ventajoso utilizar inductores resonantes discretos para garantizar una resonancia más JQ y una inductancia magnetizante.
A potencia máxima, es importante seleccionar componentes clasificados para manejar corrientes pico. Al diseñar componentes magnéticos, asegúrese de que no se saturen. Bajo energía continua, es importante seleccionar componentes y paquetes basados en desempeño térmico continuo. Los diseñadores pueden reducir el tamaño de algunos paquetes y utilizar PCB para la gestión térmica en lugar de disipadores de calor.
Como cualquier LLC-SRC, la configuración de la curva de ganancia es un proceso iterativo. Intentar alcanzar una frecuencia de funcionamiento, una corriente y un voltaje resonantes específicos y equilibrar el diseño entre los niveles de potencia pico y continuo es un desafío. En el cálculo, es necesario ajustar la inductancia de magnetización, la inductancia de resonancia, la relación de vueltas y la capacitancia de resonancia. 100 kHz es un objetivo de frecuencia resonante común para diseños basados en silicio. Para aplicaciones de audio, tiene sentido que la frecuencia objetivo del punto de funcionamiento de energía continua sea 100 kHz. La Figura 2 muestra la curva de ganancia para el ejemplo anterior.