利用G类音频放大器延长电池使用时间

中心议题：
    * 延长电池使用时间
解决方案：
    * 利用G类音频放大器

音频是便携式消费类电子设备不可或缺的一个重要组成部分。集成耳机音频功率放大器有助于放大低功耗基带音频信号，以在使用耳机时驱动清脆、清晰的音频。另外，这些放大器都需要具有极高的效率，以实现更长时间的电池寿命。为了迎接这种挑战，广大设计人员将使用G类音频放大器拓扑结构。

典型的线性音频放大器拓扑结构为A类、B类、C类和AB类。虽然这些音频放大器均为线性；但它们的效率并不是很高。请参见表1和图1。

效率的定义为输出功率（向负载提供的功率）与输入功率（从电池吸取的功率）的比，用百分比表示。更高的效率意味着以热损耗形式浪费的电池功率更少。为了改善便携式音频设备的电池使用寿命，放大器需要更高的效率。

AB类（线性）放大器具有固定的电源轨，消耗固定量的电源电流，以获得理想的输出电压。在桥接式负载(BTL)状态下，该电源电流等于输出电流。通过负载的电源电流致使所有输出MOSFET出现压降。MOSFET压降增加的这些电流，在放大器中形成较大的功耗，这就是AB类放大器效率仅为50%的原因。

表1 线性音频放大器拓扑结构



图1 各种放大器拓扑的导电角
什么是G类拓朴？

在极高电平条件下，G类拓扑为一种多电源的AB类拓扑变体。G类拓扑充分利用了典型音频/音乐源都具有极高峰值因数(10-20dB)的这一有利条件。这就意味着峰值音频信号高于平均音频信号(RMS)。大多数时候，音频信号都处在较低的幅值，极少时间会表现出更高的峰值。

新型G类拓扑使用自适应降压转换器，以产生随音频信号移动的电源电压。它为大多数平均音频信号产生有充足余量的低电源电压，并切换至高电源电压来适应偶发的峰值电压。由于电源的自适应特性，高峰值因数的典型音乐/音频源的功耗得到极大降低。这样便带来更低的电池电流消耗，从而获得比AB类构架更高的效率。

这种电源电压为自适应型。它在高音量音频信号时升高，从而防止大峰值电压失真，同时在小音频峰值时下降来降低功耗。

G类拓朴工作原理

图2描述了G类放大器的运行情况，其在低音频电压峰值时的电源电压为1.3V，并在高峰值时自适应升高至1.8V。我们使用一个降压DC/DC转换器来产生这些低电源轨（请参见图 3）。


图2 G类拓扑自适应移动放大器电源实现节能


图3 G类耳机放大器结构图
G类放大器使用自适应电源轨，并利用一个内置降压转换器来产生耳机放大器正电源电压 (HPVDD)。充电泵对HPVDD进行反相，并产生放大器负电源电压(HPVSS)。这样便让耳机放大器输出可以集中于 0V。音频信号幅值较低时，降压转换器产生一个低 HPVDD 电压 (HPVDDL)（请参见图 2）。这样便在播放低噪声、高保真音频的同时最小化了 G 类放大器的功耗。

如果由于高音量音乐或者瞬态峰值音频幅值增加，则降压转换器产生一个高HPVDD电压 (HPVDDH)。HPVDD 上升速率快于音频峰值上升时间。这样便可防止音频失真或削波。音频质量和噪声层不受 HPVDD 的影响。这种自适应 HPVDD 在避免削波和失真的同时最小化了电源电流。由于正常的听力水平在200mVRMS以下，因此HPVDD最常位于其最低电压 HPVDDL。所以，相比传统的AB类耳机放大器，G类放大器拥有更高的效率。

利用G类音频放大器延长电池使用时间

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，AB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)= VBATTx IBATT= 4.2V x 7.25 mA = 30.45 mW

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

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

这时，相同条件下，相 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

电池省电情况如图4所示。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。


图4 电池放电曲线表明G类放大器比AB类放大器拥有更长的工作时间
总之，G类音频放大器拓扑是AB类拓扑的一种改版，其拥有自适应电源，可随音频源而变化。这种拓扑结构降低了功耗，提高了效率，从而为使用G类放大器拓扑的耳机带来更长的电池使用时间。