1. Class H 功能概述
Class H技術(shù)是一種提高音頻系統(tǒng)效率的動態(tài)調(diào)壓技術(shù)。其原理是由音頻功放實時檢測音頻輸入，根據(jù)所要輸出的信號擺幅，給出供電電壓調(diào)節(jié)信號；boost根據(jù)接收到的電壓調(diào)節(jié)信號，動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓。通常，輸出功率一定時，功放的效率會隨供電電壓的增加而降低，boost 的效率同樣會隨輸出電壓的提高而降低。由于音頻信號通常具有比較高的峰值因數(shù)，平均功率只有峰值功率的40%或更低。Class H技術(shù)可實現(xiàn)boost的輸出電壓對于音頻 輸出幅值的動態(tài)追蹤，使得boost的輸出（即功放供電電壓）保持在“剛剛好”的電壓上，既不會因為boost輸出電壓不足而發(fā)生削波失真，又避免了因為boost輸出電壓過高而降低系統(tǒng)效率，整個音頻系統(tǒng)總是工作在效率最優(yōu)的狀態(tài)。圖1為Class H應(yīng)用系統(tǒng)框圖。圖2為boost輸出電壓和功放音頻輸出的實測波形示例。
對于便攜式音頻系統(tǒng)，如便攜式藍(lán)牙音箱、拉桿音箱等，Class H技術(shù)可在相同的電池容量下，大幅提高續(xù)航時間，對于降低產(chǎn)品內(nèi)部溫升亦有幫助。表1展示了同一套系統(tǒng)，在音樂、音量都相同的情況下，打開或關(guān)閉Class H 功能的對比實測結(jié)果。當(dāng)關(guān)閉Class H 功能時，boost輸出電壓保持在最大音頻功率所對應(yīng)的最高值。
ACM86xx全系列數(shù)字輸入音頻功放均可支持Class H功能。ACM86xx以PWM 的形式給出的電壓調(diào)節(jié)信號，更低的占空比對應(yīng)于更高的boost輸出電壓，反之亦然。此PWM信號， 經(jīng)過適當(dāng)?shù)腞C低通濾波后，連接至boost的FB引腳，即可實現(xiàn)對于boost輸出電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)。只要boost具有足夠的功率輸出能力，ACM86xx的Class H功能可以與任何boost芯片配合。
2. Class H 設(shè)計指南
2.1 硬件部分
ACME 軟件集成了Class H參數(shù)計算功能。用戶可根據(jù)系統(tǒng)需求輸入?yún)?shù)，即可得到硬件參考設(shè)計。
下面以單串鋰電池 + TPS61288 (boost) + ACM8625 為例，解析硬件設(shè)計過程。表 2 列 出了設(shè)計范例的參數(shù)，
1) 點擊 Enable
2) 根據(jù)音頻峰值功率需求和喇叭阻抗，確定 boost輸出電壓范圍。
此案例中，最大音頻功率為2*15W，喇叭阻抗4歐姆。查詢 ACM8625 Output Power vs. PVDD 曲線（規(guī)格書 Figure 3），最高電壓應(yīng)為 13V 左右。考慮到 boost 環(huán)路帶 寬較低，負(fù)載跳變時輸出電壓易出現(xiàn)較大跌落，這里取 15V 作為 Class H 中的最高 電壓。最低電壓略高于電池電壓即可，這里選擇 8.5V。
3) 查詢 boost 規(guī)格書，得到 boost 的 FB 電壓，如圖3。
得到 TPS61288 的 feedback 參考電壓為 0.6V。
4) 選擇合適的boost下反饋電阻阻值，通常可為幾k 到幾十k歐姆之間。 這里選擇15k。
5) 選擇功放的DVDD電壓與GPIO引腳。 DVDD是硬件設(shè)計中，為ACM86xx的DVDD分配的供電電壓，這里選擇3.3V。 Class H GPIO為Class H信號由ACM86xx上哪一個引腳引出，應(yīng)該與硬件設(shè)計相匹配。共有兩個選項，GPIO3對應(yīng)與芯片的Pin 5，GPIO1對應(yīng)于芯片的Pin 9。這里選擇GPIO3。
經(jīng)過上述步驟，即可得到RC阻容值，包括圖4中的R1，R2，R3，R4，C1，C2。此外，
其他硬件設(shè)計細(xì)節(jié)問題，例如 boost 選型與輸出電容選擇等，在第4部分中予以討論。
2.2 軟件部分
當(dāng)連接到demo板進行在線調(diào)試時，每輸入一個參數(shù)并且按回車，軟件都會更新芯片中的寄存器。調(diào)試完成后，隨其他調(diào)音參數(shù)一起，export為.c 文件，最終集成到主平臺軟件上作為功放初始化腳本。
3. 調(diào)試指南
3.1 調(diào)試步驟
ACME 建議的調(diào)試步驟如下：
第一步，功放空載不接喇叭，輸入為1kHz連續(xù)正弦波信號，手動給從低到高幾個不同幅值的輸入，萬用表測量boost輸出電壓。當(dāng)輸入為0或者幅值很低時，boost輸出應(yīng)等于預(yù)設(shè)的Class H 最低電壓; 當(dāng)輸入不斷增大時，boost輸出應(yīng)逐漸增加，直到到達(dá)預(yù)設(shè)的Class H最高電壓。
第二步，功放空載不接喇叭，輸入1kHz連續(xù)正弦波信號，掃描THD+N vs. Output Power曲線。在到達(dá)設(shè)計的最高輸出功率前，THD+N不應(yīng)有明顯增加。
第三步，接上喇叭或與喇叭阻抗相等的純電阻負(fù)載。以正弦波測試，重復(fù)第二步。典型 曲線如圖 5 所示。若第二步無異常，而第三步發(fā)生異常，則說明 boost 功率能力不足。
第四步，調(diào)整輸入幅值，使得輸出達(dá)到系統(tǒng)最大輸出功率，以正弦波作為輸入，掃描THD+N vs. Output Power曲線。在整個音頻帶內(nèi)，THD+N不應(yīng)超出系統(tǒng)要求的最大失真（通常為1%），如圖6所示。
第五步，前述步驟都已確定無問題以后，以實際喇叭播放音樂進行聽音測試。
3.2 故障排除方法
Class H 工作不正常的常見現(xiàn)象包括，Boost電容、電感嘯叫，音頻輸出失真偏大，喇叭聲音異常等等。出現(xiàn)此類異常時，可參考以下兩種方法進行調(diào)試。
方法一，將 boost 輸出與功放的PVDD供電斷開，使用外接功率能力足夠的穩(wěn)壓電源測試。如果故障排除，則說明Class H動態(tài)升壓部分確有問題；如仍然異常，則說明此故障與Class H無關(guān)，建議先bypass Class H調(diào)試。
方法二，將喇叭取下，即功放空載，掃描THD+N對頻率和輸出功率曲線。如果故障排除，則說明是由于boost功率能力不夠引起的問題，需要改善boost動態(tài)性能，或者更換輸出功率能力更強的boost。
經(jīng)上述兩種方法判斷，如果故障仍然存在，則可以斷開功放Class H引腳的所有連接（除了到 DVDD 上拉電阻應(yīng)保留），給到功放不同幅值的輸入信號，用示波器觀察Class H引腳的PWM輸出波形。圖7為幾種不同輸入幅值時，PWM的占空比變化情況。
4. 常見問題討論
4.1 boost選型
Class H設(shè)計中的boost選型，主要由音頻功率指標(biāo)所決定。需要注意的是，一般所講的最大音頻功率指的都是以正弦波來衡量的RMS功率。然而，正弦波的峰值功率實際上是RMS功率的兩倍。Boost應(yīng)當(dāng)按照能夠提供此峰值功率。舉例來說，對于一個標(biāo)稱最大功率為15W的4歐姆雙聲道設(shè)計，實際上功放輸出的峰值功率是30W*2，即60W；再查看ACM86xx的規(guī)格書，得到此工況下的效率值，這里假設(shè)為83%；即可得到boost的最大負(fù)載 功率為30W/83%，大約為72W。對于忽略各種損耗的理想Boost，
其中， 𝐼是boost平均電感電流， 𝐼_是電感峰值電流， 𝑉為boost輸入電壓， 𝐼為boost輸出電流，𝐷為占空比，T為開關(guān)周期。
具體舉例來說，當(dāng)VIN 為7.2V，VOUT為15V，IOUT 為5A，開關(guān)頻率為600kHz，L為2.2uH 時，理論上輸入的峰值電流可達(dá)12A。而實際情況下，考慮boost控制環(huán)路有限的帶寬，在輸出電壓動態(tài)變化時往往會出現(xiàn)更高的峰值電流。因此，在boost選型時，其負(fù)載能力（通 常是指開關(guān)電流限值）至少應(yīng)該能夠覆蓋模擬音頻信號的正弦波峰值功率的需求，能提供20%以上的裕量更佳。
在實際播放音樂中，應(yīng)用Class H功能時，boost的輸出電壓和負(fù)載狀況不斷跳變。在音頻峰值出現(xiàn)時，boost由輕載過渡到重載狀態(tài)，輸出電壓會有跌落。正確的設(shè)計應(yīng)保證跌落的boost輸出電壓仍高于最大的功放輸出擺幅，不會引起功放輸出削波失真。前述例子中的測試波形，如下圖所示。當(dāng)每個通道的輸出功率從15W增大到20W時，輸出擺幅增大，出現(xiàn)了削波失真。
此類削波失真出現(xiàn)的常見原因，除了 boost 自身功率能力不足以外，與 boost 的輸出電容 選擇以及環(huán)路補償設(shè)計也密切相關(guān)。這些內(nèi)容將在下一小節(jié)中討論。
4.2 boost 輸出電容與環(huán)路優(yōu)化
傳統(tǒng)音頻功放設(shè)計中，為了避免在音頻瞬態(tài)峰值信號到來時電源電壓大幅跌落導(dǎo)致的削 波失真，功放的電源輸入端往往會放置幾百甚至幾千uF 的大電容。而在Class H設(shè)計中， boost輸出電壓是根據(jù)音頻信號動態(tài)變化的。boost輸出電壓的改變需要為其輸出電容充放電，而這些電荷又是boost的負(fù)載電流提供的。過大的輸出電容，會加重boost的負(fù)載壓力， 使得電壓追蹤能力下降。從另一個角度講，輸出電容增大會使得boost控制環(huán)路中的主負(fù)載極點向更低頻移動，限制了控制環(huán)路的帶寬和動態(tài)性能，無法充分發(fā)揮boost的動態(tài)能力。使用大容量電解電容還占用了更大的空間，也推高了硬件成本。
圖10是不同輸出電容組合，相同的環(huán)路補償參數(shù)下，以1kHz正弦波輸入掃描THD+N vs. Output Power 曲線，再固定2*15W的輸出功率掃描THD+N vs. Frequency。可見，對于目標(biāo)最大音頻RMS功率 2*15W，僅使用50uF 陶瓷電容（考慮 DC bias 衰減后的有效容值）， 已經(jīng)能夠滿足要求失真要求，而不必再另外增加boost輸出電容。
進一步，再討論不同環(huán)路補償參數(shù)的影響。 在前述測試條件基礎(chǔ)上，功放增大輸出功率到 2*18W，boost 輸出端增加一個 100uF 電解 電容，以比較不同 boost 環(huán)路補償參數(shù)對失真度的影響。TPS61288 控制環(huán)路為峰值電流模式， 當(dāng)輸出 2*18W/85%時，此時負(fù)載主極點位于，
電解電容的 ESR 零點位于，
考慮陶瓷電容對電解電容 ESR 零點的影響，實際的輸出電容網(wǎng)絡(luò) ESR 零點頻率還會略高一些。 幾組 RCOMP, CCOMP補償參數(shù)及其對應(yīng)的補償零點分別為，
15k + 1nF，fcomp_z=10.6kHz
33k + 1nF，fcomp_z=4.8kHz
51k + 1nF，fcomp_z=3.1kHz
考慮到 ESR 零點與負(fù)載主極點距離較遠(yuǎn)，在保持環(huán)路穩(wěn)定的前提下，補償零點越靠近負(fù)載 主極點，則環(huán)路帶寬越高，動態(tài)響應(yīng)越好。這表現(xiàn)為重載條件到來時boost能夠快速響應(yīng)，其輸出電壓不會跌落太大，發(fā)生削波失真。圖11為輸出功率為2*18W，其他測試條件相同，上述三組補償參數(shù)所對應(yīng)的THD+N vs. Frequency掃描結(jié)果。可見經(jīng)過恰當(dāng)補償?shù)腷oost環(huán)路， 可以有效改善削波失真。
此外，測試中還包括了一組參數(shù)，保持RCOMP不變，將CCOMP加大，
51k + 2.2nF，1.4kHz
從圖11上可見，雖然其補償零點頻率更低，但其環(huán)路補償效果仍差于51k+1nF。這是因為， 更大的CCOMP使得boost環(huán)路的開環(huán)增益曲線在低頻段的下降斜率加大，最終導(dǎo)致環(huán)路帶寬不增反降。
如圖12所示，從時域波形上同樣可以觀察到合適的補償參數(shù)改善了環(huán)路動態(tài)性能，降 低了boost輸出電壓的波動幅度，改善了削波失真程度。
值得一提的是，ACM86xx 集成了Look-ahead功能，可在音頻功率峰值到來之前，提前幾個ms將boost輸出電壓升高到所需的電壓值，大幅度減輕了音頻功率峰對于boost的沖擊。
總之，當(dāng)出現(xiàn)boost輸出電壓波動過大導(dǎo)致削波失真時，應(yīng)首先考慮優(yōu)化boost環(huán)路參 數(shù)，改善其動態(tài)負(fù)載性能。若仍然無法滿足要求，再考慮增大輸出電容，重新迭代環(huán)路優(yōu)化過程，直到削波失真程度降低到可以接受為止。
4.3 boost 環(huán)路穩(wěn)定性
在 Class H應(yīng)用中，boost的輸出電壓不斷變化，負(fù)載也在不斷變化，boost應(yīng)始終保持 環(huán)路穩(wěn)定，不應(yīng)出現(xiàn)環(huán)路失穩(wěn)時常見的“大小波”或“multi-pulse”現(xiàn)象，這就對boost的環(huán)路 設(shè)計提出了較高要求。環(huán)路失穩(wěn)常常會導(dǎo)致電感電流紋波增大或輸出電壓不穩(wěn)，引起電容電感嘯叫。
通常來說，輸入電壓越低，輸出電壓越高，負(fù)載電流越大，boost控制環(huán)路越容易失穩(wěn)。 因此，Class H中boost環(huán)路設(shè)計的最惡劣工況，應(yīng)該是最低輸入電壓、最高輸出電壓、最大音頻功率輸出時，設(shè)計測試中應(yīng)首先確保此工況下的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，再不斷調(diào)節(jié)音頻輸出幅度，確保其他工況下的穩(wěn)定性。
4.4 電池電壓跌落、boost 最低工作電壓
從前述分析可知，電池供電的音頻系統(tǒng)，尤其是單節(jié)電池系統(tǒng)，boost在工作時會從電 池輸入端抽取很大的電流。且放電截止電壓越低，boost升壓比越大，輸入側(cè)峰值電流越高。 因此，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的電流能力，仔細(xì)考慮電池放電的截止電壓。必要時還可設(shè)置boost的限 流值，防止boost輸入電流過大，將電池電壓拉到低于整個的系統(tǒng)欠壓閾值，導(dǎo)致系統(tǒng)重啟。 系統(tǒng)的電流能力的主要考慮因素包括，電池本身的放電電流能力，電池等效內(nèi)阻，線損。另外，如果系統(tǒng)上電池放電經(jīng)過Charger芯片，還應(yīng)將charger的電池放電MOS的電流能力考慮在內(nèi)。
5. 總結(jié)
ACM86xx 系列功放集成了Class H功能，可與各種boost轉(zhuǎn)換器一起，有效提高各種音頻系統(tǒng)的效率，降低發(fā)熱量，大幅提高電池的續(xù)航時間。ACME 軟件可以幫助設(shè)計者快速完 成 Class H相關(guān)的軟硬件配置。本文還討論了 boost 選型、調(diào)試過程等常見問題，為設(shè)計者提供了完整的Class H設(shè)計指南。
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