2.1声道(卫星通信/低音)扬声器系统

摘要：本应用笔记介绍了用于便携式计算机的传统2.1声道音频设计，以及该方案针对卫星通信系统和低音扬声器不同输出功率要求的设计。本文详细说明了Maxim的高效率、低成本2.1声道解决方案，在5V单电源供电时该方案可提供2 × 2W和1 × 9W输出功率。

序言

便携式计算机的音频设计人员致力于持续改善系统音频效果。在空间受限的设计中，比较好的解决方案是采用2.1声道配置，即采用2个立体声卫星扬声器处理中频和高频(典型值为150Hz及更高频率)以及1个低音扬声器处理低频(典型值为150Hz及更低频率)。本应用笔记提出了采用Maxim的专业音频和电源IC实现5V单电源供电、具有2 × 2W和1 × 9W输出功率的2.1声道音频功放系统。

传统解决方案

音频系统设计人员面临的主要问题是卫星扬声器和低音扬声器具有不同的输出功率要求。典型情况下，低音扬声器需要比卫星扬声器多4至5倍的输出功率，以达到合适的声响平衡。采用单5V电源供电时，可用的音频功放解决方案有很多，但均有缺陷。

1. 最常用的解决方案是采用两组具有相同输出功率的立体声功放。其中一组用于驱动卫星扬声器，另一个用于驱动低音扬声器。卫星扬声器采用8Ω扬声器，而低音扬声器为4Ω扬声器。这可构成2 × 1W卫星和1 × 2W低音扬声器的2.1声道解决方案。尽管该方案很简便，但不能为低音扬声器提供足够的功率来产生真实的低音效果。另外，采用8Ω卫星扬声器不能使卫星扬声器的声压等级(SPL)最大。因此，这种方案的整体音响效果非常有限。
2. 通过更换上述方案中的扬声器，使用4Ω卫星扬声器和2Ω低音扬声器，可构成2 × 2W卫星扬声器和1 × 4W低音扬声器的2.1方案。该方案使输出功率加倍，提高了声压等级。但是，采购2Ω扬声器以及驱动这种扬声器的功率放大器非常困难，而且成本很高。另外，电源电流需求大概会加一倍，这会降低该解决方案的效率，特别是在电路板空间限制的系统中，可能会带来散热问题。
3. 比上述两种解决方案更好的是采用2 × 2W放大器用于卫星扬声器、1 × 9W放大器用于低音扬声器。在该配置中，卫星扬声器为4Ω，并且充分利用5V电源电压；同时低音扬声器为8Ω，在9W功率时可产生足够的低音效果。但是，9W低音扬声器放大器需要一路12V电源，增加了解决方案的复杂程度。对于仅能提供一路5V电源的系统，需要产生一路12V电源。

传统方案分析

采用2.1声道扬声器系统的优点是可以从很小的空间产生出“震撼”的音响效果。为达到该目的，低音扬声器放大器的功率至少要比卫星扬声器放大器的功率大4至5倍。对于2W的卫星扬声器放大器，低音扬声器放大器的输出功率至少要8W至10W。

上面提到的解决方案#1和#2易于实现，因为只需一路5V单电源。但是，这两种方案无法解决问题，因为都缺乏足够的功率来驱动低音扬声器。

解决方案#3比较理想，但前提是可以方便的得到额外的12V电源。


图1. Maxim用于2.1声道扬声器系统的完整解决方案

Maxim的解决方案及其优势

图1所示为Maxim用于2.1声道扬声器系统的完整解决方案。该方案使用兼容Windows Vista®、带有立体声耳机驱动器的2 × 2W立体声放大器MAX9789、1 × 10W单声道D类放大器MAX9768以及低噪声升压DC-DC转换器MAX8740。

MAX9789在单个器件内整合了驱动2.1声道系统中卫星扬声器的立体声2W AB类扬声器放大器和100mW立体声DirectDrive™耳机放大器。MAX9789设计用于采用Windows Vista操作系统的便携式计算机系统，完全兼容Windows Vista规范。耳机放大器具有Maxim专利的DirectDrive结构，能够从单电源产生以地为基准的输出，无需输出隔直电容。¹ 这种DirectDrive结构可以节约成本、减少电路板空间、降低器件高度，并省去了消除咔嗒和噼噗声所需的输出隔直电容。另外，MAX9789还集成一个1.21V至4.75V输出可调的LDO，可为音频codec或其它模拟电路提供干净的电源。

MAX9768为无需滤波输出的D类放大器，在12V电源供电时能以10%的THD+N向8Ω负载提供9W输出功率。其D类调制方式无需输出滤波器，可降低成本，并可向2.1声道系统中的低音扬声器提供足够的9W功率。MAX9768具有87%的效率，无需散热器。另外，其扩谱调制模式允许器件在使用0.5m电缆时只需低成本的铁氧体磁珠和每路输出上的电容即可通过FCC EMI限制。² (下面的图2给出了MAX9768用户评估板输出粉红噪声并采用1m电缆时的FCC辐射扫描图。) 请注意：如果系统中的低音扬声器无需较大功率，MAX9768的输出功率可以降低。


图2. 使用1m扬声器电缆时的MAX9768无滤波EMI测量

MAX8740为固定频率、脉宽调制(PWM)升压型DC-DC转换器，内置n沟道MOSFET。该器件设计用于各种DC-DC转换应用。对于我们的解决方案，该器件用来作为具有5V输入电压的升压DC-DC转换器，产生12V直流电压为MAX9768供电。MAX8740易于使用，只需少量外部元件，并提供µMAX®封装。MAX8740的转换效率为90%、关断电流低于0.1µA，非常适合于电池供电的便携式系统应用。

结论

2.1声道整体解决方案充分利用了Maxim在音频和电源IC领域的专业技术。MAX9789为运行Windows Vista操作系统的便携式计算机提供完全集成的音频解决方案。MAX9768提供高效、大输出功率，可完全驱动便携式2.1声道系统中的低音扬声器。MAX8740提供一种简便的方法将5V电源转换成12V以使系统完整，并能以90%的效率为低音扬声器放大器供电。

¹有关Maxim拥有专利的DirectDrive架构的更多信息，请参考应用笔记3979："DirectDrive技术"。
²有关MAX9768扩谱调制模式的更多信息，请参考应用笔记3881："扩谱调制模式使D类放大器的电磁干扰降至最低"。

µMAX是Maxim Integrated Products, Inc.的注册商标。