增強(qiáng)高功率D類音頻放大器設(shè)計中的性能和可靠性
Silicon Labs，Ashish Gokhale
摘要： 綠色能源標(biāo)準(zhǔn)、更低成本和更高音頻保真度的需求正在推動D類放大器在高功率音頻中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬實現(xiàn)（例如AB類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）比較復(fù)雜且效率低，但由于其對音頻的高保真性能，占據(jù)了高端音頻市場。
Abstract：
Key words :
綠色能源標(biāo)準(zhǔn)、更低成本和更高音頻保真度的需求正在推動D類放大器在高功率音頻中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬實現(xiàn)（例如AB類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）比較復(fù)雜且效率低，但由于其對音頻的高保真性能，占據(jù)了高端音頻市場。D類系統(tǒng)設(shè)計更簡單、更高效，且提供媲美模擬放大器的高保真能力，正在迅速縮小在高端音頻市場中的差距。
典型的D類音頻系統(tǒng)先把模擬音頻輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字PWM信號，在數(shù)字域進(jìn)行功率放大，然后再把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號輸出。如圖1所示，輸入的音頻信號被送到一個脈沖寬度調(diào)制器（PWM），它由運(yùn)算放大器和比較器組成，調(diào)制器通過生成與音頻輸入信號瞬時值成正比的調(diào)制占空比信號對音頻數(shù)字化。
圖1：D類放大器的基本框圖
PWM信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娖阶儞Q，然后送到柵極驅(qū)動器，這個驅(qū)動器控制由MOSFET（M1和M2）組成的雙態(tài)功率電路。放大后的信號然后通過輸出濾波器（消除PWM載波頻率），最終僅僅放大了的模擬音頻信號驅(qū)動揚(yáng)聲器。通過把濾波器輸入信號反饋到錯誤放大器輸入端，進(jìn)行外部環(huán)路濾波，降低了失真和噪聲，進(jìn)一步提高了音頻輸出保真度。
D類放大器設(shè)計
功效
傳統(tǒng)的模擬功率放大器依賴于線性放大電路，很容易造成高功率損失。而相比之下，D類放大器的功率效率可以達(dá)到90％或更高（這取決于設(shè)計）。這種高效率的益處是D類放大器技術(shù)所固有的，放大機(jī)制使用二進(jìn)制轉(zhuǎn)換(通常是功率MOSFET)。這些開關(guān)或者完全導(dǎo)通或者完全關(guān)閉，只有很少的時間花費(fèi)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換上。離散的開關(guān)動作和低MOSFET導(dǎo)通阻抗，減少了I2R損耗，提高了效率。然而，在實踐中，開關(guān)轉(zhuǎn)換時間（死區(qū)時間）必須足夠長以避免兩開關(guān)同時運(yùn)行時效率急劇下降。
高保真
音頻保真度可以被定義為聲音再生后的完整性，對于音頻系統(tǒng)，保真度一直是聲音質(zhì)量的代名詞。同時其他指標(biāo)也被用于衡量保真度，部分指標(biāo)的測量對設(shè)計人員來說特別具有挑戰(zhàn)性。最具挑戰(zhàn)性的兩個指標(biāo)是：總諧波失真（THD）和噪聲（N），統(tǒng)稱為THD+N。
THD是對音頻系統(tǒng)的精確測量，非常類似于高保真本身。再生信號的誤差來自于其他元件產(chǎn)生的輸入頻率諧波，明顯的區(qū)別于純輸出信號。THD是所有多余的諧波頻率能量與基本輸入頻率能量的比值，典型的在給定系統(tǒng)的半功率下測量獲得。THD性能對于大多數(shù)非高保真音頻應(yīng)用來說通常小于0.1%，挑剔的聽眾通常需要THD等級低至0.05％甚至更低。
輸出噪聲等級是對沒有信號輸入的放大器輸出的本底噪聲電平的測量。對于大多數(shù)揚(yáng)聲器來說，100-500µV的本底噪聲在正常的收聽距離內(nèi)是聽不到的，而達(dá)到1mV的本底噪聲就太吵了，所以，THD+N是衡量放大器音頻保真度的很好指標(biāo)。
D類驅(qū)動器IC：特性和益處
可編程死區(qū)時間
D類放大器死區(qū)時間（即兩個開關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)時的時間段）直接影響到效率和THD。過于短暫的死區(qū)時間會引起直通電流，降低效率，過長的死區(qū)時間又會增大THD，這會給音頻保真度帶來不利影響。
必須精確設(shè)定死區(qū)時間，找到使功率效率和THD都最優(yōu)的“最佳位置”。當(dāng)前典型高電壓音頻驅(qū)動器具有不精確的、重疊的死區(qū)時間設(shè)置（即1/n延遲值）。因此，多數(shù)設(shè)計人員都選擇采用分立元件來處理死區(qū)時間，這不僅花費(fèi)高而且耗時間。一個簡潔且經(jīng)濟(jì)的解決方法是集成具有高精度死區(qū)發(fā)生器的柵極驅(qū)動器。
電平變換
由于輸入電平轉(zhuǎn)換的要求，實現(xiàn)雙態(tài)D類放大器可能有一定難度。 在高功率D類放大器中，最好為功率MOSFET階段提供高壓供電軌(±VSS)。實際D類放大器設(shè)計中，±100Vdc電壓可以在8?負(fù)載上產(chǎn)生高達(dá)600W的音頻功率。
大多數(shù)現(xiàn)有高電壓IC（HVIC）D類驅(qū)動器缺乏將低壓調(diào)制部分轉(zhuǎn)為高壓電源部分的能力。能夠提供電平轉(zhuǎn)換的驅(qū)動器有也有其他不足，這使得它很難成為D類操作的理想選擇（例如，驅(qū)動器輸出接地端子采用負(fù)電壓軌，要求輸入驅(qū)動信號電平轉(zhuǎn)換到負(fù)電源）。通過分立器件添加該項功能，成本高、設(shè)計難度大且占用大量空間，具備高電壓雙極供電接口的電平轉(zhuǎn)換解決方案是D類設(shè)計的顯著優(yōu)勢。
通常，大多數(shù)驅(qū)動器解決方案不提供輸入輸出隔離，也不提供驅(qū)動器間的隔離，因此需要額外元件提供電平轉(zhuǎn)換機(jī)制。
圖3：低壓數(shù)字調(diào)制器與高壓雙極輸出電源之間接口需要電平轉(zhuǎn)換
可靠性和噪聲抑制
現(xiàn)有的典型柵極驅(qū)動器IC在20V/ns或更大的高電壓瞬變時容易發(fā)生鎖閉，通常情況下對高轉(zhuǎn)換速率瞬變噪聲（從功率級反饋耦合到精確數(shù)字輸入端）沒有抑制作用。在試圖獲得最佳音頻保真度且保持本底噪聲盡可能低時，缺乏噪聲抑制是其主要劣勢。
高頻操作
D類柵極驅(qū)動器的最佳特性之一是能夠在高開關(guān)頻率下運(yùn)行，且傳播延遲最小。這些特性使得在反饋路徑上的總循環(huán)延遲非常低，獲得盡可能好的噪聲性能。更高頻率下運(yùn)行也提高了“循環(huán)增益”，改善了放大器的失真性能?，F(xiàn)有的大多數(shù)HVIC驅(qū)動器僅支持最高1MHz的調(diào)制頻率。
集成度
在當(dāng)今競爭激烈的全球市場上，集成了所有這些特性的解決方案，將為D類放大器設(shè)計人員提供很大便利，他們可以通過縮短設(shè)計時間、減少元件數(shù)量、降低插入成本以及因較多器件數(shù)量而帶來的較低可靠性，從而使其產(chǎn)品盡早上市。
小結(jié)
D類放大器的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)模擬放大器，包括更低的THD、更小的電路板空間、更高的功率效率和更低的BOM成本。高集成的柵極驅(qū)動器IC對系統(tǒng)構(gòu)架和音頻性能都有顯著的積極作用。Silicon Labs公司的Si8241/8244音頻驅(qū)動器是首個集成所有特性到單一IC封裝的高功率D類放大器解決方案。這些柵極驅(qū)動器的優(yōu)點包括：為最低THD和最佳功效提供高精度死區(qū)時間設(shè)置；無需為輸入信號電平轉(zhuǎn)換而增加復(fù)雜設(shè)計和器件數(shù)量；隔離的輸出驅(qū)動器，簡化雙態(tài)開關(guān)器實現(xiàn)；對瞬變電源有較高抑制力。要想了解有關(guān)Si824x D類音頻驅(qū)動程序的更多內(nèi)容，以及如何利用這些柵極驅(qū)動器為高保真音頻市場提供新的設(shè)計思路，請訪問：www.silabs.com/audio-driver。此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。