PCB 設計中高功率數字放大器的設計挑戰

高功率數字放大器的設計挑戰包括：

1）SMPS問題，包括拓撲和高流量設計問題；

2) SMPS 和高流量信號路徑中的重要組件必須正確設計，以處理高功率和電流；

3）PCB設計問題，包括信號線寬度和電磁干擾（EMI）。

開關電源問題

一般來說，每個通道可以達到300W的立體聲或多通道產品需要能夠持續達到600W，以符合聯邦貿易委員會（FTC）的現行規定。 根據FTC的規定，左右聲道必須持續發揮滿功率五分鐘，制造商才能聲稱這個功率是額定功率。 由于開關模式電源 (SMPS) 是數字放大器最常用的電源技術，因此要求 SMPS 能夠提供至少 5 分鐘 600 W 的功率水平。 從散熱的角度來看，五分鐘是一個比較長的時間。 事實上，SMPS 必須能夠持續實現這種功率。 對于這種高功率，通常建議使用推挽式、半橋或全橋 SMPS。

對于低功率 SMPS 設計（低于 200 W），最常使用反向拓撲。 本文沒有詳細描述為什么推挽式或半橋式 SMPS 適用于高功率級別，僅提供以下一般性描述。 在反向SMPS中，僅使用變壓器磁B-H曲線的一部分。 另外，反向SMPS結構相對簡單，成本較低。

由于大功率SMPS的大電流會在SMPS變壓器中產生非常高的磁通量，因此可以利用整個B-H磁滯回線曲線來降低磁芯損耗。 推挽或半橋拓撲可以增加SMPS的功率，但設計的復雜性和成本也會增加。

此外，SMPS中使用的元件也需要更換，以實現高功率和大電流。 SMPS 變壓器還必須增加以處理高功率和高電流。 對于 220 VAC 輸入，600 W SMPS 的峰值電流可達 15 安培。 對于 110 VAC 設計（90 VAC 至 136 VAC），建議在濾波器后使用電壓倍增器或功率因數校正 (PFC)，因為對于具有 90 VAC 至 136 VAC 輸入的 600 W SMPS，輸入電流將相當大。 需要密切監控的元件包括主輸入交流轉直流整流電容器和輔助直流紋波電壓消除電容器。 此外，輸入EMI線路濾波器還必須能夠支持增加的功率負載。

由于這些電源的設計相當復雜并且需要專業知識，因此一般建議使用現有的SMPS電源。

音頻信號路徑的組成部分

針對更高紋波電流的設計還有其他考慮因素。 例如，根據圖2所示電路，當H橋電壓（PVDD）為50V、使用10μH電感、開關頻率為384kHz時，使用TAS5261的系統紋波電流可達1.6 安培。 這意味著輸出 LC 濾波器中的電感器和電容器以及 PVDD 電容器必須能夠處理負載電流和紋波電流。 濾波電感中的高電流還意味著電感必須具有相對較低的直流電阻（建議小于 25 毫歐）。 然而，即使電阻相對較低，濾波電感也會遭受 I2R 損耗。 電感器必須能夠應對由此產生的溫升，特別是對于磁芯材料而言。 TAS5261 參考設計包含材料列表和特定的電感部件號。

PCB設計問題

高電流放大器和 SMPS 的 PCB 信號線必須具有最小電阻，以最大限度地減少 I2R 損耗。 一般來說，這意味著應使用 2 盎司的銅，并且信號線應盡可能寬。 為了最大限度地減少EMI和音頻性能問題，您應該盡可能遵循該配置，并將此配置應用于功率等級完全不變的高壓/高功率端子。 高功率信號線位于集成電路（IC）的右上方。

新型高瓦數數字放大器功率級將有助于開發更加多樣化的產品和應用。 本文描述的概念可以幫助克服高功率設計中遇到的主要挑戰。 PCB組裝和PCB加工制造商解釋了高功率數字放大器在PCB設計中的設計挑戰。