用D類放大器進行設(shè)計須知

用D類放大器進行設(shè)計須知

開關(guān)放大器或D類放大器在消費類音頻設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)快速上升到了一個很突出的水平，從MP3播放器、手機、游戲機、LCD-TV到家庭影院。D類放大器的最大競爭優(yōu)勢是特別高的功率轉(zhuǎn)換效率，在實際應(yīng)用中可高達85%～90%，而線性AB類放大器在典型的功率輸出水平上通常只能達到25%。

　　在手持應(yīng)用中，D類放大器的低功耗允許設(shè)計師可在保持很長電池充電間隔的同時提供很高的音頻質(zhì)量。對所有個人通信和音響設(shè)備來說，電池壽命是一個關(guān)鍵的性能指標(biāo)。對于市電供電設(shè)備(如A/V視聽產(chǎn)品和游戲機)，D類放大器的高功效可帶來更低的散熱量。從而使設(shè)計師可以采用更小的散熱器來實現(xiàn)更簡潔的外形、更低的材料和組裝成本。事實上，精心設(shè)計的電源可以使每通道輸出功率高達幾瓦的應(yīng)用無須散熱片。

　　D類放大器解決方案

　　D類放大器的基本拓撲結(jié)構(gòu)包括一個脈寬調(diào)制器、一個功率橋輸出電路和一個低通濾波器。目前，市場上的D類放大器可以幫助用戶節(jié)省很多設(shè)計工作，如屏蔽放大器開關(guān)操作所產(chǎn)生的電磁干擾和選擇最合適的開關(guān)頻率。提高開關(guān)頻率可以降低輸出濾波要求，但會因MOSFET柵極電容而導(dǎo)致更大的功率損失。因此，開關(guān)頻率選擇要求在外部元件數(shù)量和功率轉(zhuǎn)換效率之間做一個平衡。功率橋的設(shè)計取決于所期望的D類放大器的輸出功率。

　　例如，目前市場上已有D類耳機驅(qū)動器和D類揚聲器驅(qū)動器，這些不同配置的一個關(guān)鍵不同是輸出級的設(shè)計。設(shè)計用于揚聲器的D類放大器能夠產(chǎn)生小于1瓦到幾瓦的輸出功率，且無須散熱片。這些IC為許多消費類應(yīng)用提供了單芯片解決方案，從便攜式多媒體播放器到游戲機和一些LCD-TV。在大多數(shù)這些應(yīng)用，特別是手持產(chǎn)品中，單芯片解決方案是至關(guān)重要的。

　　不過，對于非常高的輸出功率，一個D類放大器可以結(jié)合一個采用音頻功率MOSFET構(gòu)建的外部輸出級來實現(xiàn)。該D類放大器必須提供一個合適的預(yù)放大器，所選的分立MOSFET必須是針對數(shù)字音頻操作而優(yōu)化的。

　　濾波

　　D類MOSFET H橋的輸出是一個代表音頻信號的方波。開關(guān)頻率元件必須被衰減，以防止干擾和確保最終產(chǎn)品通過電磁兼容(EMC)認證。這要求一個截止頻率略高于音頻頻帶的低通濾波。因此，開關(guān)頻率越高，這些元件的衰減就越大。這允許采用尺寸更小的外部濾波元件。

　　另一方面，MOSFET上的損耗會隨著開關(guān)頻率的提高而增加，從而降低效率，并導(dǎo)致更大的功耗和帶來相關(guān)的熱管理問題。特別是，在MOSFET柵極電容上產(chǎn)生的開關(guān)損耗，會隨著工作頻率的提高而線性增加。因此，通常認定D類放大器輸出級的設(shè)計要具有低損耗的MOSFET，并正確設(shè)置了開關(guān)頻率，以滿足電磁干擾(EMI)的特定要求。

　　用無濾波器的D類放大器連接到揚聲器 (如手機揚聲器)，對于尺寸和成本都很敏感的應(yīng)用來說是一個明顯的優(yōu)勢。當(dāng)D類放大器輸出靠近揚聲器時，揚聲器線圈的寄生電阻和電感可組成一個適當(dāng)?shù)腖R低通濾波器?？捎糜跓o濾波器配置的D類放大器的一個例子是歐勝的WM8960。如果D類放大器輸出與揚聲器的距離比較遠，那么需要用一個鐵氧體磁珠來產(chǎn)生少量附加的電感，以改善EMC性能。

　　電源設(shè)計

　　與線性A/B類放大器相比，采用D類放大器的設(shè)計師還必須更密切注意電源性能對音頻輸出質(zhì)量的影響。因為D類輸出是一個開關(guān)級，將電源軌直接有效地連接到音頻輸出后，電源上的音頻頻帶波動將直接調(diào)制輸出信號。因此，設(shè)計師必須確保音頻頻帶上的高負載調(diào)節(jié)，或采取措施消除市電或音頻帶紋波的影響。

　　許多制造商提供浮動穩(wěn)壓器，必要時它可以添加到現(xiàn)有的電源中，以改善負載調(diào)節(jié)。對每個放大器輸出采用一個獨立的穩(wěn)壓器，具有減少音頻通道之間串?dāng)_的附加優(yōu)勢。不過，一個額外的穩(wěn)壓器或一對穩(wěn)壓器增加了總的實現(xiàn)成本。此外，穩(wěn)壓器功耗降低了效率增益，而效率增益是采用D類放大器的一個關(guān)鍵理由。

　　此外，提高放大器的電源抑制比(PSRR)，降低了負載調(diào)節(jié)對音頻輸出信號的影響。添加PWM輸出到模擬音頻輸入的反饋通過補償電源電壓的變化提高了PSRR。這可以實現(xiàn)高達80dB左右的PSRR，這已經(jīng)非常接近便攜式應(yīng)用使用的差分AB類放大器的PSRR。不過，如果D類放大器輸入信號是純粹的數(shù)字音頻，那么這一技術(shù)不適用。全數(shù)字D類放大器的PSRR是0分貝，而且設(shè)計師必須確保電源電壓的小偏差調(diào)節(jié)。

　　電源的瞬態(tài)性能也應(yīng)當(dāng)考慮。為了精確地再現(xiàn)PWM波形，電源必須能夠?qū)ν蝗缙鋪淼?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流變化迅速反應(yīng)。線性放大器在這方面的要求不高，因為輸出級的帶寬局限于音頻范圍。對于一個針對D類放大器設(shè)計的電源來說，導(dǎo)致糟糕瞬態(tài)響應(yīng)的音頻帶外電壓波動，將調(diào)制PWM信號，從而引入在音頻輸出端可聽得見的諧波失真。

　　一個有幫助的技術(shù)是安置不同輸出級的MOSFET在不同的開關(guān)中，這可減少峰值電源電流。例如，歐勝5～7.1聲道數(shù)字功放控制器WM8608，具有一個內(nèi)嵌的‘PWM輸出相’功能，它可在每個輸出聲道的PWM信號之間引入160ns的延遲，這樣就具有PWM周期內(nèi)分散開關(guān)瞬態(tài)電流的效果。在一個6聲道的多聲道系統(tǒng)中，這一技術(shù)可大幅降低最大瞬態(tài)負載電流，并降低串?dāng)_。