输出功率与电源电压 

音频功率放大器在使用时有时为了迁就电源电压或负载的阻抗而限制了最大输出功率。由于P=V2/R，因此在既定的电源电压之下如果要提升输出功率，只能降低负载的阻抗，在既定负载阻抗之下如果要提升输出功率只能提升电源电压。提升D类音频功率放大器输出功率的方法除了选用高效率的芯片之外，在应用中也有一些方法可考虑使用。 

如果D类音频功放的效率是85%而芯片的封装可以散热2W，则这个功放可以输出大约11.4W的功率,即11.4/(11.4+2)=85%。通常，TSSOP20(EP)的封装配合适当的PCB布局在环境温度70度时可散热2W，所以这个封装可以用于D类音频功放每声道5.7W的立体音响。一般5V电源使用的D类音频功放的规格都定为5V及4Ω，但使用时并不一定如此。例如使用4颗干电池时初始电压约6.5V，使用一小段时间后降至6V附近，然后缓慢下降一直到电力消耗到某一程度。另外有些4Ω喇叭的直流电阻低至3.2Ω，为了规范的一致性，功率放大器的供货商常以电阻作为标准负载以标示芯片的输出功率或其它特性，所以对应用而言6V及3Ω负载电阻也是一个常用的条件。 

图1：输出功率与电源电压的关系曲线图。

输出功率与负载电阻

从提升输出功率的角度而言，由于输出功率与电压成平方正比，即P∝V2，因此电源电压由5V提升到6V时输出功率可以提升1.44倍即(6V/5V) 2 = 1.44。以TMPA3155DS或TMPA3156DS为例，在5V及4Ω时每声道可以输出3W，但在6V及4Ω时每声道可输出4.45W或立体声共8.9W，输出功率提升了4.45W/3W = 1.48倍，略大于理论值1.44倍。 

图2：输出功率与负载的关系曲线图。

由于输出功率与负载电阻成反比，即P∝(1/R)，因此阻抗由4Ω降为3Ω时输出功率可以提升1.333倍即4V/3V = 1.333。所以测试条件由5V及4Ω变为6V及3Ω时，输出功率可提升1.92倍即1.44×1.333 = 1.92。以TMPA3056DM或TMPA3058DM为例，在5V及4Ω时可输出3.1W但在6V及3Ω时可输出5.3W，输出功率提升了5.3W/3.1W = 1.71倍，小于理论值1.92倍。 

从以上实例可以发现，工作电压的提升可有效提高输出功率，如TMPA3155DS/TMPA3156DS由5V及4Ω变成6V及4Ω时输出功率提升了1.48倍，但负载电阻的降低配合电压的提升并不能使输出功率按比例增加，如TMPA3056DM/TMPA3058DM由5V及4Ω变成6V及3Ω时，输出功率仅提升1.71倍。这是由于输出晶体管接不同的负载会有不同的效率。例如Rds(on)为0.4Ω而负载是4Ω，则输出晶体管的直流效率是4Ω/(4Ω+0.4Ω)= 91%。但同样当Rds(on)是0.4Ω，对3Ω负载而言直流效率为3Ω/(3Ω+0.4Ω)= 88.23%。此外，3Ω阻抗所造成电流的增加也会提高Rds(on)值而使输出晶体管的直流效率更差。Rds(on)值与负载的关系如图3。 

图3：汲极的电流与电压曲线图。

汲极的电流ID与汲极的电压VDS的关系为

ID = K[(VGS – VT)VDS – 0.5VDS2]

因此 ID/VDS = K[(VGS – VT) – 0.5VDS]

Rds(on) = VDS/ID = 1/{K[(VGS – VT) – 0.5VDS]} 

由汲极的电流与电压曲线图可知，如果负载线由4Ω改为3Ω则汲极的电流及电压由(ID1, VDS1)变为(ID2, VDS2)。因为VDS由VDS1增加为VDS2，依上述Rds(on)计算公式，当VDS增加时Rds(on)也对应增加，从而使输出晶体管的直流效率更差。 

另外温度效应是一个不太容易测量的因素，但在高温时温度效应会有很大影响。由于上述芯片的输出晶体管效率高，温度效应较不明显，例如Rds(on)因为温度上升而由0.4Ω提升1.5倍至0.6Ω，在4Ω负载的状况下，输出晶体管直流效率由4Ω/(4Ω+0.4Ω) = 91%降至4Ω/(4Ω+0.6Ω) = 87%。但是如果原本输出晶体管的效率不高，如Rds(on)原来是0.6Ω，但由于温度上升，Rds(on)由0.6Ω提升1.5倍至0.9Ω时，输出晶体管直流效率由4Ω/(4Ω+0.6Ω) = 87%降至4Ω/(4Ω+0.9Ω) = 81.6%。实际上，Rds(on)较高使效率变差而产生较多的热，造成温度上升，由于VT与温度成正比，温度上升会VT增大导致Rds(on)上升，进而使得效率下降幅度更大。因此，降低负载电阻对功率的提升会因为直流效率变差使温度效应更明显而无法达到预期的目标。 

以上得出的结论是：在应用中要提升输出功率时，提升工作电压比降低负载电阻有效，不仅输出功率与工作电压成平方正比，而且可以维持输出晶体管与负载电阻的相对效率及较低的温度效应。但是提升工作电压时要确认芯片对于高电压及高电流的承受程度，供货商的产品手册会有详细标示。基于可靠度的考虑，验证的时候需提高测试条件以确保应用的容许度及产品的生命周期。

实例一：降低负载的阻抗以提升输出功率 

使用5V(6V)电源及T3155DS/T3156DS设计输出功率为6W(7.8W)的单声道音频功放。 

将立体声功放的输入端并联及输出端并联(如图4)，可以降低50%的输出阻抗，所以此输出端可以以同样的效率推动1/2的负载电阻而提升输出功率。 

由公式P=V2/R，可知输出功率与负载电阻成反比，所以降低负载电阻可以提升输出功率。图4的接线方式可使功放芯片用同样的效率推动减半的负载电阻而使输出功率得以直接套用P=V2/R的公式。T3155DS/T3156DS在5V/4Ω下可输出每声道3.02W，但是如果如图1并联使用则可在5V/2Ω时输出每声道6W的功率。如果电源电压提升到6V时可以输出7.8W的功率。由于外接输入电阻不对称或芯片的差异可能导致输出端在切换时发生短路保护，输出端需要以LC滤波器隔离。电源的电解电容为1000uF或更高。 

图4：使用5V(6V)电源及T3155DS/T3156DS设计输出功率为6W(7.8W)的单声道音频功放。

如果5V/2Ω可以输出6W的功率，则6V/2Ω应该可以输出(6V/5V)2=1.44倍的功率，亦即6W×1.44=8.64W，但实际输出只有7.8W。功率减少的部份主要是由于输出LC滤波器电感的直流电阻所消耗。T3155DS/T3156DS在5V/4Ω每声道输出3.02W，输出是使用BEAD，直流电阻较低。 

图5：降低负载电阻可以提升输出功率。

实例二：提升电源电压以提升输出功率 

使用两个串接的锂电池及TMPA3056DM/TMPA3058DM设计输出功率为5W的音频功放。 

由公式P=V2/R可知，输出功率与电源电压的平方成正比。所以提升电源电压可以平方倍的提升输出功率。图6的接线方式是使用两个串接的锂电池提升电源电压。三个二极管(1N4001)用来降低锂电池的电压至功放芯片的额定电压。 

图6：使用两个串接的锂电池及TMPA3056DM/TMPA3058DM设计输出功率为5W的音频功放。

TMPA3056DM/TMPA3058DM关机时最高耐压为7V，正常工作时最高耐压为6.5V。点亮LED的电流在三个1N4001二极管产生大约1.8V的压降，所以电源电压由两个串接锂电池的7.2V~8.2V降低至5.4V~6.4V，小于正常工作的最高耐压6.5V。为维持低音的硬朗度，电源电解电容建议使用2200uF。如需要每声道5W的立体功放，可以使用两个单声道的功放芯片并共享电源Vdd。如果使用上述方法及一个立体声功放芯片TMPA3155DS 或TMPA3156DS，在6V及4?时每声道可输出4.45W。