使用低共模雜訊與動態增壓技術之內嵌單電感雙極性輸出電源模組之D類音頻放大器

Abstract

隨著可攜式電子產品的迅速發展，輕量化、縮小化又同時具備高效功能一直是發展的目標。近年來，消費者對於可攜式電子產品的享受品質更加重視，音源輸出也是重要指標，在電子產品體積縮小的情況下還需擁有更好的音質、音量是極具挑戰的難題。此外，在電池技術未有突破性發展的現況，為了在有限的電池容量中享受最高品質的音訊與續航力，能量轉換效率在晶片設計中是最重要的考量之一。 本論文提出一個具高輸出功率、高能量轉換效率的D類音頻放大器，並內嵌一個高能量轉換效率的單電感雙極性輸出升壓直流-直流電源轉換器，在減少外部元件與電路板面積的情況下，同時達到高音質、高音量輸出的目的，此前瞻型的結合電源模組之音源放大系統預計可應用整合於可攜式的電子產品中。為了符合在真實應用上廣域音量輸出的需求，本論文提出的動態增壓技術可以偵測所需音量大小，自動調節單電感雙極性輸出升壓直流-直流電源轉換器的輸出電壓，以達到低音量時省電、高音量時又不失真的動態控制，有效延長電池續航力。本論文使用二階積分閉迴路D類音頻放大器，可有效抑制系統與電源雜訊產生的失真，提供良好的音訊品質。此外，晶片內包含兩組單端D類音頻放大器，可根據使用者需求，調整成雙聲道單端式音源輸出或單聲道全橋式音源輸出。本論文的晶片使用0.18μm製程來實現，在實驗結果證實了本論文提出的技術可有效降低元件、面積使用與能量損耗，單電感雙極性輸出電源轉換器與D類音頻放大器分別有最高89%與93.2%，以及整體系統82%的高能量轉換效率，並同時達到總斜波失真最低有0.012%的高音質表現。

A high efficiency Class-D amplifier (CDA) with embedded single-inductor bipolar output (SIBO) power module is proposed for system-on-a-chip (SoC) applications. The characteristics of SIBO converter’s bipolar outputs not only suppress equivalent common mode noise but also remove several large external bulky components in conventional boost supply CDA systems. Since bipolar outputs in the SIBO provide independent driving capability, CDA is capable to operate in both single-ended (SE) and bridge-tide load (BTL) configurations. Furthermore, the proposed dynamic voltage boosting (DVB) technique adjusts the SIBO output voltage level according to the CDA’s output level with 5% power efficiency improvement. Peak total harmonic distortion plus noise (THD+N) performance is 0.012%. Peak power efficiency of SIBO and CDA are 89% and 93.2%, respectively. And the peak efficiency of overall CDA system is 82%.