多路复用升压D类无需额外的外部电路

升压D类放大器驱动电压大于电源电压的扬声器。这些放大器正变得越来越普遍，因为它们允许来自单个锂离子电池的更高性能音频。然而，大多数升压D类放大器不允许用户访问内部升压电压。这使得使用常见的模拟开关很难将扬声器多路复用到多个音频源。本应用笔记讨论了MAX14689的超摆幅功能如何使其无需额外电路即可切换这些信号。

介绍

音频工程师越来越多地在手持系统中使用升压D类音频放大器，因为它们能够从低压源（如单节锂离子电池）提供高性能音频。例如，当手机用作便携式媒体播放器或免提电话时，AB类放大器不足以提供所需的清晰度和音量。改用D类放大器。然而，当手机用作手机时，AB类放大器在保持功耗的同时提供出色的性能。在类似手机的应用中保持功率，同时仍然允许在免提电话或媒体播放器应用中发出大声音，这使得将单个扬声器多路复用到多个音频源具有吸引力。在此类应用中会出现困难，因为来自D类放大器的增强音频信号通常会使音频信号超出典型模拟开关的范围。本应用笔记讨论了MAX14689的超摆幅功能如何使其无需额外电路即可切换此类信号。®

问题所在

升压D类放大器可提供大声音，而无需在PCB上占用较大空间。然而，当将升压放大器多路复用到扬声器时，会出现一个问题。根据设计，升压D类输出的音频信号大于电源电压。但是，常见的模拟开关仅限于其电源轨内的信号。许多现代模拟开关增加了将信号传递到负电源以下的功能。这仍然给D类放大器的升压信号带来问题，因为高于正电源的信号无法通过。D类放大器内部的升压电源通常不用于为外部器件供电。即使它有能力，电压也仅在放大器打开时可用。这使得使用这种电源变得不切实际，因为当使用另一个放大器时，它不可用。因此，在扬声器多路复用应用中，如果不包括额外的电路，就很难使用典型的模拟开关。有几种方法可以解决这个问题，本应用笔记总结了每种方法的权衡。

解决问题的常用方法

一种解决方案是增加提供给模拟开关的电源电压。这使得模拟开关可以毫无困难地通过音频信号。另一种方法是改变音频信号电平，并将信号带到开关的适当范围内。最后，为了解决这个问题，工程师可以使用MAX14689双刀双掷（DPDT）模拟开关和超摆幅技术。该解决方案允许音频信号不受干扰地通过，无需额外的外部电路。下面分析了每种方法的优缺点。

提高电源电压

在某些情况下，简单地利用来自升压D类放大器的升压电压似乎是有利的。如上所述，这种解决方案会产生一个新问题：当另一个放大器正在使用时，升压D类放大器关闭，升压电压不可用。然后，设计人员必须设计一种方法从另一个电源为模拟开关供电。这意味着系统必须设计有额外的OR电路，根据所使用的放大器，从不同的电源为开关供电。这种解决方案所需的OR电路会消耗额外的空间和功耗。在空间和功耗是主要设计限制的系统中，这种权衡是不可取的。

虽然不常见，但解决该问题的另一种方法是使用电感或电荷泵方法向电路添加外部升压电源。这解决了问题，但有明显的缺点。首先，大多数现代应用程序的空间受限特性使其成为解决问题的不可接受的方法。额外的升压电源意味着增加笨重的外部元件（IC/二极管/电容器/FET/电感器）。这根本不行。此外，即使是高效的升压转换器也会引入功率损耗，这在采用电池供电的系统中是不可接受的。

将音频电平调整到可接受的范围

音频应用中使用的许多模拟开关都支持负电压。因此，将信号的直流偏置向下移动，直到信号落在开关可接受的电压范围内是一种常用的解决方案。最常见的是使用 DC 阻断方法。在这种方法中，工程师在模拟开关的输入端放置隔直电容。这种方法的问题有三个方面。

首先，电容器为空间已经紧张的应用增加了元件。此外，增加的电容值需要相当大，以便保持它们产生的高通滤波器的截止频率尽可能低。由于此时的负载是扬声器，而不是放大器的高阻抗输入，这进一步增加了保持音频质量所需的电容器尺寸。

出现的第二个问题使第一个问题更加复杂。为隔直而添加的电容器由于其电压系数而在低频下会增加相位失真。电压系数描述了电容值随电容器两端的电压变化的程度。由于在低频下电容器的阻抗变高，因此电容器两端产生电压，从而使电容降低到额定值以下。随着频率的增加，电容也会增加。电容的变化会在频率比滤波器的-3dB点高十倍时引入失真。因此，为了将失真保持在可听范围之外，电容器应足够大，以产生低至2Hz的截止频率。此外，所选电容器应具有低电压系数，这通常不包括采用小型封装的电容器，例如陶瓷。最常见的是使用钽或电解电容器来保持较低的电压系数。

最后，等效串联电阻（ESR）的非线性等因素会引入更多的失真。ESR中的非线性可能与频率有关，在某些情况下，由于阻抗增加，会限制输送到扬声器的功率。

直流阻断方法解决了这个问题，但需要在成本、音频质量和空间限制方面进行权衡。

美信解决方案

Maxim针对此问题的解决方案（图1）是MAX14689超小尺寸、双刀双掷（DPDT）模拟开关，无需额外的外部电路即可通过升压信号。MAX14689采用超摆幅技术，允许高达±5.5V的信号以超低失真通过，同时器件提供低至+1.6V的电压。

图1.典型音频设置的解决方案。

鉴于MAX14689能够使电压高于和低于供电轨，因此无需隔直或升压外部电源。事实上，使用MAX14689实现多路复用扬声器，工程师无需额外的外部电路即可为音频系统供电，从而节省大量空间。在没有隔直电容的情况下传递信号的能力消除了隔直电容占用的空间和引入的失真。1.2mm x 1.2mm、9焊球晶圆级封装（WLP）使MAX14689成为业界尺寸最小的DPDT模拟开关，可进一步节省空间。

MAX14689采用“先开后合”时序，防止两个放大器短路在一起，与其他常用方案相比，它既能保护系统的音频质量，又能减少所需的空间。当采用低至 2.5V 的电源供电时，开关的低导通电阻（典型值为 0.25O）允许将电源高效传输到扬声器。MAX14689具有低THD+N特性，非常适合空间、成本和音频质量非常重要的音频系统。

结论

升压D类放大器在电池供电的音频系统中很有吸引力，因为它们可以大大提高音频质量。然而，由于这种放大器的功耗较高，因此使这种类型的系统始终处于打开状态并不有利。由于多路复用单个扬声器以分离音频系统具有许多优势，因此典型的模拟开关无法在其电源轨上方和下方传递信号，从而产生了一个值得解决的问题。传统方案会带来许多不良影响，但Maxim解决方案提供了一种简单、节省空间且能保持音频质量的解决方案。

审核编辑：郭婷