【導讀】Buck轉換器是音頻產品中不可或缺的重要器件。然而音頻係統較為複雜，使得設計一顆合適的Buck轉換器並非易事。本文從音頻產品係統出發，深入分析Buck的輸入電壓、開關頻率、輕載高效模式、軟起動時間以及引腳布局對音頻係統的影響，並對Texas Instruments當前新一代的Buck方案 – TPS6293x進行了介紹，幫助用戶打造高品質的音頻產品。

1  音頻係統介紹

音頻產品有較多的產品類型

，如帶線音箱（桌麵音箱、Soundbar、監聽音箱）、便攜音箱（藍牙音箱
、拉杆音箱）、耳機（頭戴耳機、TWS耳機）等等。其典型係統如Figure 1所示。產品普遍支持多種音頻源，如藍牙
、線路路輸入Line in等等
，通常需要一個MUX（多路複用器）進行音源切換，之後通過音頻ADC轉換成I2S等數字音頻接口，便於DSP進行相應的音效處理。處理完畢後通過音頻DAC還原成模擬信號
，通過音頻功放來驅動揚聲器發聲。主控MCU則對整機進行基本的控製，如讀取電位器位置調節音量、按鍵選擇工作模式、LED顯示係統信息等等。

Figure 1. 音頻係統典型框圖

電源部分，帶線音箱和便攜音箱在設計上有較大差異。帶線音箱需要從220V 市電取電，一般通過反激拓撲來產生較高的直流電壓給功放供電，之後通過Buck轉換器將電壓降至5V給模擬係統供電，再加一些LDO來產生3.3V或1.8V給數字部分供電。

便攜音箱則因為帶有電池，因此需要增加charger給電池充電。電池串數以一串或兩串居多
，電池電壓較低，因此需要通過Boost轉換器將電池電壓抬高後給功放供電。而係統所需要的低壓3.3V則由電池通過Buck轉換器產生，再由另一顆LDO降至1.8V。可以看到
，無論是帶線音箱還是便攜音箱，Buck都是不可或缺的重要角色。

2  Buck轉換器主要指標設計考慮

2.1  輸入電壓

從前述的音頻係統介紹可知，不同音頻產品中Buck的輸入電壓是有區別的。在便攜音箱產品中
，Buck的de輸shu入ru電dian壓ya就jiu是shi電dian池chi電dian壓ya，隻zhi需xu要yao根gen據ju電dian芯xin的de串chuan數shu以yi及ji每mei節jie電dian芯xin的de電dian壓ya就jiu可ke以yi估gu算suan出chu最zui高gao輸shu入ru電dian壓ya值zhi
，電dian壓ya相xiang對dui不bu高gao。但dan是shi帶dai線xian音yin箱xiang則ze有you很hen大da不bu同tong，帶dai線xian音yin箱xiang產chan品pin中zhongBuck的輸入電壓Vin是功放的供電電壓PVDD，這個電壓直接決定了音頻產品的輸出功率
，因此有必要進一步分析供電電壓和輸出功率的關係。

典型功放驅動電路如Figure 2所示。其中r為功放內阻，R為揚聲器阻抗，Vin為功放的供電電壓。

Figure 2. 功放驅動電路模型

根據歐姆定律可知，揚聲器R的輸出功率：

（1）

從而換算得到輸入電壓：

（2）

注意到公式(2)對應的Vin值是RMS值

，因此Vin的最大值：

（3）

因此
，Buck的輸入電壓，在公式(3)的基礎上留一定的裕量即可。

不同功放因為內阻不一樣
，所以供電電壓的計算會比較繁瑣。一般功放的datasheet都會給出輸出功率和供電電壓的測試曲線
，以TPA3116為例
，在揚聲器阻抗為8歐姆情況下，其最大輸出功率和供電電壓的曲線如Figure 3所示。可以發現，根據TPA3116的內阻120mΩ，套入公式(3)中進行計算
，其結果和輸出功率/供電電壓的1% THD+N曲線完全吻合。

Figure 3. TPA3116輸出功率和供電電壓關係曲線

在一些追求大輸出功率的產品上，用戶可能會給功放施加最高的供電電壓
，來達到最高的輸出功率，這種場合下考慮Buck的輸入電壓時需要關注功放的最高耐壓。Table 1是TI當前主流功放產品的供電電壓彙總。其中，26.4V及以下的功放占絕大多數
，針對的是中功率及以下的市場
，也是市麵上應用非常廣泛的音頻方案。

Table 1. TI主流功放供電電壓彙總

2.2  開關頻率

通常我們考慮Buck的開關頻率時，主要關注的就是係統效率、外圍尺寸

、yuanjianchengbendengzhibiao。kaiguanpinlvgaohuishidewenbobianxiao，tongdengzhibiaoxiakeyisuoxiaowaiweiqijiantiji，jieshenglewaiweiqijianchengben，danshikaiguansunhaohuixiangyingbianda，daozhixitongxiaolvbiancha。fanzhiyiran。ranerzaiyinpinchanpinzhong，chuleshangshuguanzhudianwai，kaiguanpinlvdexuanzehaixuyaokaolvqitayinsu，xiangduifuzahenduo。qizhuyaoyuanyin，jiushiyinweiyinpinchanpindaiyouyangshengqi
，bujinkeyibofangyinle，yehuijiangyixiezaoyinfangchulai。yincizaiyinpinchanpinshejijieduan，xuyaozonghekaolvduozhongyinsu，xuanquzuiheshideBuck開關頻率。

2.2.1 人耳可聽頻率

眾所周知，人耳可聽的聲音頻率範圍是20Hz到20kHz。理所應當地，Buck的開關頻率應該避免這個頻率範圍，不然容易引起電感嘯叫或電容嘯叫，影響揚聲器的播放效果。實際上，刨除幹擾揚聲器的因素
，Buck在20kHz的開關頻率工作時，係統需要非常大的電感值和輸出電容來減小紋波
，導致產品相對龐大且笨重，競爭力不強。因此20kHz開關頻率的Buck已經幾乎絕跡了，絕大部分的開關頻率都在50kHz及以上
，其中又以200kHz以上最為常見，這個頻率已經完全錯開了人耳可聽頻率範圍，因此可以放心使用。

2.2.2 差頻幹擾

當dang係xi統tong上shang有you多duo個ge開kai關guan型xing功gong率lv器qi件jian時shi，若ruo它ta們men在zai空kong間jian上shang比bi較jiao接jie近jin
，它ta們men的de差cha頻pin信xin號hao可ke能neng會hui耦ou合he出chu來lai並bing以yi噪zao聲sheng的de形xing式shi幹gan擾rao彼bi此ci的de正zheng常chang工gong作zuo
，這zhe就jiu是shi差cha頻pin幹gan擾rao現xian象xiang。我wo們men以yiTPS54335A為例，進一步描述這個現象。Figure 4是TPS54335A的應用電路圖
，其開關頻率設定為342kHz。信號源Vnoise代表其它功率器件的開關噪聲，設定其為幅值100mV、頻率為352.8kHz的方波
，耦合到TPS54335A的補償腳
，模擬差頻幹擾。

Figure 4. TPS54335A差頻幹擾電路模型

利用TINA-TI工具，我們可以看到仿真結果如Figure 5所示。可以看到，輸出電壓除了預期的342kHz高頻紋波外，還有10.8kHz左右的低頻紋波，而這10.8kHz正是352.8kHz與342kHz之差
，表明TPS54335A工作時受到了差頻幹擾。

Figure 5. TPS54335A仿真波形

進一步地，利用頻譜分析儀
，實測輸出電壓的頻率分量如Figure 6所示。可以清晰地看到10.4kHzzuoyoudedipinfenliangdecunzai，bingchanshengleduiyingdegaocixiebo。duiyuyinpinchanpineryan
，zhegechapinhenyoukenengtongguoyangshengqibofangchulai，jishizaibubofangyinledeshihouyirancunzai，yonghutiyanfeichangcha。yinciyinpinchanpinxuyaozhongshichapinganraowenti。

Figure 6. 輸出電壓頻譜分析

常見的優化差頻幹擾問題的措施主要有：

●   合理布局PCB，盡量避免多個開關型功率器件近距離放置

；

●   增加濾波器
，濾除低頻信號；

●   合理錯開各個開關器件的頻率範圍。

合理布局PCB對產品的layout要求非常高
，有可能產品需要來回改版好幾次才能解決，效率不高；增加濾波器雖然可行
，但也增加了硬件成本

；helicuokaigegekaiguanpinlvshibutongfanganzhonggaoxiaoqiejingjidexuanze，nengconggenyuanshangjiejuechapinganraowenti。duiyuyinpinxitongeryan，gegekaiguanpinlvzhishaoxuyaocuokai20kHz以上
，才不會影響揚聲器播放效果。

以帶線音箱係統為例，根據前述框圖
，其開關型功率器件主要有：

●   Flyback: 開關頻率通常低於150kHz，以盡可能降低開關損耗
；

●   Buck: 開關頻率通常高於200kHz，最高可到MHz級別；

●   功放: 模擬功放的開關頻率較寬，最高也可以達到MHz級別。數字功放開關頻率則集中在8kHz和384kHz這兩個頻率。

Flyback作為帶線音箱中頻率最低的開關型器件
，其頻率和Buck/功放明顯錯開20kHz以上，可以放心使用。而Buck和功放的頻率範圍則有重疊，尤其是數字功放，需要重點考慮。

實際上，為了保證最佳的THD+N性能，數字功放開關頻率一般選取為I2S音源采樣率的整數倍
，而I2S音源的標準采樣率是44.1kHz和48kHz，因此功放的開關頻率一般固定為352.8kHz和384kHz，也就是對應44.1kHz和48kHz的8倍。可以看到
，數字功放的開關頻率是不可更改的，想要讓功放和Buck的開關頻率錯開，隻能是更改Buck的開關頻率。

因此對於音頻係統，Buck的開關頻率需要和功放錯開20kHz以上。對於數字功放而言，Buck的開關頻率需要低於332.8kHz（352.8kHz減去20kHz），或者高於404kHz（384kHz加上20kHz）。

2.2.3 頻率誤差

芯片的各項指標都是有範圍的，開關頻率也不例外
，實際使用的時候需要加以留意。以TPS54302為例，其開關頻率的典型值是400kHz
，這個頻率理論上是可以和352.8kHz的功放搭配使用的
，但是TPS54302的datasheet表明
，其開關頻率範圍是290kHz – 510kHz
，和352.8kHz有重疊，如Figure 7所示，依然有可能發生差頻幹擾現象。另外有些Buck會增加擴頻的功能
，來幫助用戶通過EMI測試。擴頻會帶來頻率的偏移，同樣需要重視。

Figure 7. TPS54302開關頻率範圍

綜合上述分析，音頻產品的開關頻率需要綜合多方麵的因素。Buck最好帶有開關頻率可調的功能，方便用戶結合自己的實際情況，選用最佳的開關頻率。

2.3 輕載高效

隨sui著zhe節jie能neng環huan保bao的de呼hu聲sheng越yue來lai越yue高gao，相xiang關guan的de能neng效xiao標biao準zhun對dui電dian子zi產chan品pin的de待dai機ji功gong耗hao提ti出chu了le更geng高gao的de挑tiao戰zhan。美mei國guo的de六liu級ji能neng效xiao和he歐ou盟meng能neng效xiao認ren證zheng，均jun要yao求qiu電dian子zi產chan品pin的de待dai機ji功gong耗hao低di於yu0.5W。在如此嚴苛的要求下，具有輕載高效功能（PFM）的器件將發揮重要的作用，Buck也ye不bu例li外wai。它ta的de原yuan理li很hen簡jian單dan，就jiu是shi當dang負fu載zai降jiang低di時shi，減jian小xiao係xi統tong的de開kai關guan頻pin率lv
，進jin而er降jiang低di開kai關guan損sun耗hao，從cong而er提ti升sheng輕qing載zai條tiao件jian下xia的de效xiao率lv。隻zhi要yao負fu載zai足zu夠gou輕qing，開kai關guan頻pin率lv就jiu會hui低di於yu20kHz。但是正如前述所提，20kHz及以下的開關頻率是音頻係統所不願意碰到的，因此音頻係統常見的做法是外掛一個最低負載（如電阻），確保Buck的開關頻率始終保持在20kHz以yi上shang。其qi缺que點dian也ye很hen明ming顯xian，就jiu是shi無wu論lun輕qing載zai還hai是shi重zhong載zai，這zhe個ge最zui低di負fu載zai始shi終zhong存cun在zai
，並bing且qie被bei白bai白bai浪lang費fei掉diao，沒mei有you給gei真zhen正zheng的de負fu載zai利li用yong上shang
，導dao致zhi係xi統tong整zheng體ti效xiao率lv略lve有you降jiang低di。

TI於2019年提出Out-of-Audio（OOA）模式，以解決輕載條件下的可聽噪聲問題。其工作原理如Figure 8所示。當Buck的高側MOSFET斷開、低側MOSFET導通後，電感電流開始降低
，一旦監測到電感電流為零，低側MOSFET將斷開，同時啟動內部的定時器開始計時
，並且監測對應的FB引腳電壓。假若在預設時間內FB電壓低於閾值
，則定時器終止，繼續下一個PWM周期
；若負載足夠輕，導致在預設時間內FB電壓仍未低於閾值
，係統將強製開啟低側MOSFET，將FB電壓快速泄放至閾值以下（類似FCCM模式），然後繼續下一個PWM周期。因此，這種模式的係統有了最小頻率值。隻要合理設計定時器的值，就可以確保係統在輕載條件下頻率依然超過20kHz。OOA模式不需要添加最低負載
，在輕載和重載條件下都實現了高效率，是非常出色的解決方案。

Figure 8. OOA模式原理

2.4 軟起動時間

Buck轉換器啟動的時候需要對輸出電容進行充電
，在啟動瞬間，輸出電容的充電電流會達到最大，之後緩慢下降。假若充電電流超過了Buck的過流點，Buck的過流保護就會啟動，芯片啟動失敗。為了確保正常啟動
，Buck一yi般ban會hui采cai用yong軟ruan起qi動dong的de辦ban法fa。它ta的de原yuan理li比bi較jiao簡jian單dan
，即ji通tong過guo恒heng流liu源yuan對dui電dian容rong進jin行xing充chong電dian，隻zhi要yao合he理li設she計ji電dian流liu大da小xiao和he電dian容rong值zhi，就jiu可ke以yi得de到dao電dian容rong達da到dao預yu設she電dian壓ya處chu的de時shi間jian間jian隔ge（也就是軟起動時間）

，輸出電壓就會按照預設的軟起動時間從0V線(xian)性(xing)增(zeng)大(da)至(zhi)穩(wen)定(ding)值(zhi)。因(yin)此(ci)軟(ruan)起(qi)動(dong)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)減(jian)小(xiao)啟(qi)動(dong)電(dian)流(liu)。但(dan)是(shi)軟(ruan)起(qi)動(dong)時(shi)間(jian)並(bing)非(fei)越(yue)大(da)越(yue)好(hao)，啟(qi)動(dong)時(shi)間(jian)拉(la)長(chang)會(hui)使(shi)得(de)係(xi)統(tong)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)變(bian)慢(man)，也(ye)會(hui)延(yan)長(chang)產(chan)品(pin)的(de)開(kai)機(ji)時(shi)間(jian)。

對於音頻產品，Buck的負載之一是音頻ADC（如PCM1808），Buck的輸出電壓就是ADC的參考電壓。正如我們所知，ADC轉換結果和參考電壓有如下關係式：

（4）

當參考電壓變動時，ADC的轉換結果會相應變化。因此為了轉換的準確性
，通常會盡量減小電壓紋波。增大電容是比較常見的做法，個別用戶甚至會用1000uF的電容來達到優秀的轉換效果。這麼大的電容並聯到輸出端時，勢必會增大啟動時的充電電流，因此有必要分析在大輸出電容下Buck需要多大的軟起動時間。

不同軟起動時間下的仿真電路如Figure 9 (a)所示。R1是等效的電容ESR，C1是對應的大電容。Vout是Buck的輸出電壓，根據軟起動時間的大小分別對Vout進行定義， Figure 9 (b)所示為設定軟起動時間為2ms。

(a). 軟起動仿真電路

(b). 軟起動時間設置

Figure 9. 軟起動仿真電路及參數設置

依次設定軟起動時間為2ms、3ms、4ms

，得到啟動電流波形如Figure 10所示。可以看到，在4ms以上的軟啟動時間時，空載啟動電流相對較小
，並留有足夠的帶載啟動空間。因此Buck的軟起動時間最好是在4ms之上。

 (a) ss=2ms, Ipk=2.5A

(b) ss=3ms, Ipk=1.7A

(c) ss=4ms, Ipk=1.2A

Figure 10. 軟起動仿真波形對比

2.5 引腳布局

一個好的Buck電路
，除了正確配置好原理圖，其layout也非常重要。一般layout需要盡可能將外圍器件靠近對應引腳
，縮短路徑以減小寄生參數和回路麵積。但有些Buck的引腳位置相對較差

，以Figure 11(a)所示為例
，其對應的layout 效果如Figure 11(b)。可ke以yi看kan到dao局ju部bu區qu域yu必bi須xu要yao在zai底di層ceng走zou線xian
，增zeng大da了le線xian路lu距ju離li和he寄ji生sheng參can數shu。同tong時shi地di平ping麵mian被bei割ge裂lie的de較jiao為wei分fen散san，無wu法fa達da到dao最zui佳jia的de散san熱re效xiao果guo。假jia若ruo能neng對duiBuck的引腳進行合理優化，如Figure 11(c)所示，讓相關功能的電路在空間上相鄰排布，那麼layout時將大大縮小走線距離，減小layout的難度
，如Figure 11(d)所示，整個布局緊湊有序
，同時在底層有完整的地平麵
，PCB的散熱性能非常好。

(a). 較差引腳布局

(b). 較差引腳布局對應layout   

 (c). 較好引腳布局

 (d). 較好引腳布局對應layout

Figure 11. 引腳布局對比

3 TPS6293x介紹

TPS6293x是TI於2021年發布的新一代Buck方案
，該係列一共有五個型號，按照電流大小、工作模式以及Pin 7引腳功能進行細分
，具體型號分別是TPS62932、TPS62933、TPS62933F
、TPS62933P和TPS62933O
，彼此差異如Table 2所示。

Table 2. TPS6293x係列產品對比

TPS6293x係列綜合考慮了前述音頻係統的各項設計挑戰，並提出了出色的解決方案：

●   輸入電壓最高支持30V
，完全可以覆蓋中功率及以下音頻產品需求
；

●   開關頻率可調，支持200kHz – 2.2MHz的頻率設定
，方便用戶根據係統靈活選擇開關頻率，避免差頻幹擾
；

●   全係列有PFM、FCCM以及OOA模式三個版本，滿足用戶多方麵的係統要求。其中OOA模式設定係統最低頻率為30kHz，從根源上避免了輕載下的可聽噪聲問題
；

●   軟起動時間可通過外部電容調節，不必再為大輸出電容下的啟動問題而發愁；

●   合理布局引腳

，如Figure 12所示。外圍走線距離可以做的很短，減小了寄生參數；同時走線全部在頂層完成
，在底層有完整的地平麵

，散熱能力出色。

(a). TPS62933引腳布局(b). TPS62933 Layout

Figure 12. TPS62933引腳布局及Layout

除此之外
，TPS6293x在使能狀態下的靜態電流隻有12uA，功耗能力出色；另外支持擴頻功能
，幫助提高EMI性能；高低側MOSFET的內阻隻有76mΩ/32mΩ
，助力係統在24V轉5V應用下仍有高達90%的轉換效率。

4 總結

本文詳細介紹了音頻產品的係統架構，針對其中的Buck器件，依次從輸入電壓、開關頻率
、輕載高效模式、軟起動時間以及引腳布局等方麵，深入分析Buck轉換器對音頻係統的影響。並對Texas Instruments當前新一代的Buck方案TPS6293x進行了詳細介紹，幫助用戶構建高品質音頻產品。

5 參考文獻

1. TPS62933 datasheet 2022, Texas Instruments Inc.

2. Understanding OOATm Operation, SLUA946, Zhao Ma, Henry Xie, Jason Wang, Eric Guo, Texas Instruments Inc.

來源：TI

作者：Wiky Liao

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