Potenza audio
Una cosa che trovi nell'ampio campo dell'ingegneria elettrica è che diversi settori e persino aziende possono utilizzare lingue diverse per descrivere lo stesso argomento. Per un design di successo, gli ingegneri di potenza e audio devono capirsi.
I primi due termini che devono essere definiti sono potenza di picco e potenza continua. La potenza di picco è la potenza audio istantanea ZD. Determina quanta potenza è progettata per l'alimentatore di uscita fisica. La potenza continua è la potenza audio mediata in un periodo di tempo. Nel contesto della progettazione dell'alimentatore, la potenza continua è la potenza di uscita specificata che il sistema può fornire senza superare la temperatura del componente o la corrente nominale media. La Figura 1 fornisce esempi di livelli audio di picco e continui. Sono correlati al fattore di cresta, che è una misura del rapporto tra il valore di picco di una forma d'onda e il valore quadratico medio (RMS).
Figura 1 Questo grafico mostra i livelli audio di potenza continua e di picco.
Può anche essere espresso in decibel usando la seguente equazione:
Formula per il calcolo del livello audio
RMS è un termine improprio per la potenza audio, perché questo valore non è tecnicamente un valore RMS calcolato della forma d'onda di potenza. Puoi scrivere un altro articolo su come specificare la complessità degli amplificatori audio. La comprensione degli standard del settore per i livelli di potenza degli amplificatori nominali non chiarisce necessariamente quali siano i requisiti di alimentazione in termini di potenza di picco e continua.
Ad esempio, si consideri il design del convertitore risonante della serie LLC (LLC-SRC) per un amplificatore audio da 400 W. Senza una conoscenza preliminare dei sistemi audio, puoi progettare un eccellente alimentatore da 400 W. Ma quando l'amplificatore deve essere acceso, l'alimentazione si interrompe o la qualità audio è scarsa. La curva di guadagno del convertitore LLC è solitamente progettata in base al carico ZD e lavora vicino alla frequenza di risonanza serie in condizioni di linea ZX. Questo metodo di solito produce un perfetto LLC-SRC da 400 W, ma in un sistema audio reale, la potenza di picco sarà effettivamente maggiore della valutazione di 400 W dell'amplificatore. Prima di iniziare la progettazione dell'alimentatore, è necessario specificare almeno la potenza continua e la potenza di picco.
Per l'esempio dell'amplificatore da 400 W, il livello di potenza appropriato per i prodotti di consumo per riprodurre musica compressa può essere di 200 W di potenza continua e di 800 W di potenza di picco per 15 millisecondi. Questo rappresenta un fattore di cresta di 12 dB, che è un valore tipico per l'elaborazione della musica. L'audio non elaborato è di circa 18-20 dB e l'audio del film può essere maggiore di 20 dB. Alla fine, il rapporto tra potenza di picco e potenza continua dipende dall'applicazione specifica, quindi è molto importante definirli chiaramente all'inizio del processo di progettazione. Anche i requisiti di durata per diversi livelli di carico aiutano a ottimizzare il design. Tieni presente che l'efficienza dell'amplificatore audio deve essere considerata, perché ci saranno perdite nell'amplificatore, che si tradurranno in un carico maggiore sull'alimentatore.
Progettazione LLC-SRC
Dopo aver determinato le specifiche, è possibile procedere con la progettazione dell'alimentatore. A seconda degli standard di qualità dell'alimentazione della regione e dell'applicazione, potrebbe essere necessario un alimentatore con correzione del fattore di potenza (PFC) per questo progetto di livello di potenza. Il front-end PFC fornirà un bus 400VDC stabile da utilizzare come input di LLC-SRC.
Come la maggior parte dei convertitori risonanti, il passaggio DY della progettazione LLC-SRC consiste nel selezionare i componenti del serbatoio risonante. Questo imposterà la frequenza di risonanza e modellerà la curva di guadagno. In questo passaggio, assicurati che l'output voltaggio può raggiungere il livello di potenza di picco. Se il serbatoio risonante non può raggiungere il guadagno richiesto, la tensione di uscita scenderà al picco audio, riducendo così la qualità audio o spegnendo l'amplificatore. Per l'uscita Condensatori, i requisiti di durata della potenza di picco sono generalmente troppo lunghi per mantenere la tensione di uscita, quindi l'alimentatore deve essere in grado di fornire effettivamente l'intero carico di picco.
Aggiungi un po' di spazio in più al guadagno di picco. Le limitazioni fisiche della struttura del trasformatore non sempre raggiungono il numero esatto di spire o induttanza. Per i progetti audio che richiedono un'elevata potenza di picco, è vantaggioso utilizzare induttori risonanti discreti per garantire una maggiore risonanza JQ e induttanza magnetizzante.
Alla potenza di picco, è importante selezionare componenti classificati per gestire le correnti di picco. Quando si progettano componenti magnetici, assicurarsi che non si saturano. In condizioni di alimentazione continua, è importante selezionare componenti e pacchetti in base alle prestazioni termiche continue. I progettisti possono ridurre le dimensioni di alcuni pacchetti e utilizzare i PCB per la gestione termica invece dei dissipatori di calore.
Come ogni LLC-SRC, la modellazione della curva di guadagno è un processo iterativo. Cercare di raggiungere una frequenza operativa, una corrente e una tensione di risonanza specifiche e bilanciare il progetto tra livelli di potenza di picco e continui è una sfida. Nel calcolo è necessario regolare l'induttanza di magnetizzazione, l'induttanza di risonanza, il rapporto spire e la capacità di risonanza. 100 kHz è un target di frequenza di risonanza comune per i progetti basati sul silicio. Per le applicazioni audio è logico che la frequenza target del punto di funzionamento a potenza continua sia 100 kHz. La Figura 2 mostra la curva di guadagno per l'esempio precedente.