PCB設計におけるハイパワーデジタルアンプの設計上の課題

回路基板アセンブリおよび回路基板処理メーカーが、回路基板設計における高出力デジタルアンプの設計上の課題について説明します。

高出力デジタルアンプの設計上の課題には、次のようなものがあります。

1) トポロジおよび高トラフィック設計の問題を含む SMPS の問題。

2) SMPS および高流量信号パスの重要なコンポーネントは、高電力および高電流を処理するために正しく指定する必要があります。

3) 信号線幅や電磁干渉 (EMI) などの PCB 設計の問題。

SMPSの問題

一般的に言えば、各チャンネルで 300 W に達することができるステレオまたはマルチチャンネル製品は、連邦取引委員会 (FTC) の現在の規制に準拠するために、600 W に継続的に到達できる必要があります。 FTC の規制によると、製造業者がこの電力が定格電力であると主張する前に、左右のチャネルは 5 分間フル電力を発揮し続ける必要があります。スイッチングモード電源 (SMPS) は、デジタルアンプで最も一般的に使用されている電源テクノロジであるため、SMPS は 600 W の電力レベルを少なくとも 5 分間供給できる必要があります。放熱の観点からすると、5 分は比較的長い時間です。実際、SMPS はこのパワーを継続的に達成できなければなりません。この高電力には、プッシュプル、ハーフブリッジ、またはフルブリッジの SMPS が一般的に推奨されます。

PCB Design

低電力 SMPS 設計 (200 W 未満) では、リバーストポロジが最も一般的に使用されます。この記事では、プッシュプルまたはハーフブリッジ SMPS が高電力レベルに適用される理由については詳しく説明せず、以下に一般的な説明のみを提供します。逆 SMPS では、トランスの磁気 B-H 曲線の一部のみが使用されます。さらに、逆SMPSは構造が比較的単純で低コストです。

高出力 SMPS の高電流は SMPS トランスに非常に高い磁束を発生させるため、B-H ヒステリシスループ曲線全体を使用することで磁気コアの損失を減らすことができます。プッシュプルまたはハーフブリッジトポロジーは SMPS の能力を高めることができますが、設計の複雑さとコストも増加します。

さらに、SMPS で使用されるコンポーネントも、高電力と大電流を実現するために交換する必要があります。高電力と高電流を処理するには、SMPS トランスも大きくする必要があります。 220 VAC 入力の場合、600 W SMPS のピーク電流は 15 アンペアに達することがあります。 110 VAC 設計 (90 VAC ～ 136 VAC) の場合、フィルタの後に電圧増倍器または力率補正 (PFC) を使用することをお勧めします。これは、90 VAC ～ 136 VAC 入力の 600 W SMPS では入力電流が非常に大きくなるためです。詳細に監視する必要があるコンポーネントには、メイン入力 AC/DC 整流コンデンサと補助 DC リップル電圧除去コンデンサが含まれます。さらに、入力 EMI ラインフィルタも増加した電力負荷をサポートできる必要があります。

これらの電源の設計は非常に複雑で専門的な知識が必要なため、通常は既存の SMPS 電源を使用することをお勧めします。

オーディオ信号経路のコンポーネント

リップル電流を大きくするための設計には、別の考慮事項があります。たとえば、図 2 に示す回路によると、H ブリッジ電圧 (PVDD) が 50 V、10 µH のインダクタンスが使用され、スイッチング周波数が 384 kHz の場合、TAS5261 を使用するシステムのリップル電流は 1.6 に達する可能性があります。アンペア。これは、出力 LC フィルタのインダクタとコンデンサ、および PVDD コンデンサが、負荷電流とこのリップル電流を処理できなければならないことを意味します。フィルタインダクタの電流が大きいということは、インダクタの DC 抵抗が比較的低い (25 ミリオーム未満を推奨) 必要があることも意味します。ただし、抵抗が比較的低い場合でも、フィルタインダクタは I2R 損失に悩まされます。インダクタは、特にコア材料の場合、結果として生じる温度上昇に対処できなければなりません。 TAS5261 リファレンスデザインには、材料リストと特定のインダクタンスの部品番号が含まれています。

PCB設計の問題

高電流アンプと SMPS の PCB 信号ラインには、I2R 損失を最小限に抑えるための最小抵抗が必要です。一般に、これは 2 オンスの銅を使用し、信号線をできるだけ広くする必要があることを意味します。 EMI とオーディオ性能の問題を最小限に抑えるために、可能な限り構成に従い、この構成を電力レベルをまったく変更せずに高電圧/高出力端子に適用する必要があります。高電力信号ラインは、集積回路 (IC) の右上にあります。

デジタルアンプの新しい高ワット数パワーステージは、より多様な製品とアプリケーションの開発に役立ちます。このホワイトペーパーで説明する概念は、高電力設計で直面する主な課題を克服するのに役立ちます。 PCB アセンブリおよび PCB 処理メーカーは、PCB 設計における高出力デジタルアンプの設計上の課題について説明しています。