0 引言

    在音頻功率放大領(lǐng)域，由于D類音頻功率放大器是基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的開關(guān)放大器^[1-4]，用作放大的功率管幾乎總是處于或者完全導(dǎo)通或者完全截止的狀態(tài)，因此其功率損耗比傳統(tǒng)的線性放大器小得多，這使得其效率非常高，符合便攜式設(shè)備高效節(jié)能的客觀需求，因而在音頻模擬集成領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是由于D類功放本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了防止上側(cè)功率管和下側(cè)功率管同時(shí)導(dǎo)通，即擊穿問題的產(chǎn)生，需要在它們的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)之前插入死區(qū)時(shí)間間隔。所謂的死區(qū)時(shí)間就是功率管每次轉(zhuǎn)換狀態(tài)的過程中，先將上下兩個(gè)功率管同時(shí)關(guān)斷，再開啟其中一個(gè)功率管。兩個(gè)功率管同時(shí)關(guān)斷的這段時(shí)間就是死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間是D類功放非線性失真的主要來源，造成其失真度通常大于傳統(tǒng)的線性放大器。提高開關(guān)頻率是減小開關(guān)功率放大器失真的有效辦法。但隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗又大大增加，其效率嚴(yán)重下降，在很大程度上又限制開關(guān)功率放大器工作頻率的進(jìn)一步提高以及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。采用二階或高階閉環(huán)系統(tǒng)^[5]，引入雙反饋和前饋結(jié)構(gòu)，也可以大大降低總諧波失真，但是其系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，穩(wěn)定性問題會(huì)使得芯片面積大大增加，影響成本。因此，如何能夠在有限的成本下同時(shí)滿足高效率、低失真成為D類開關(guān)功率放大器的重點(diǎn)。本文提出了一種新型的簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)以及輔助功率管柵級(jí)電壓檢測(cè)反饋電路，大大減小了系統(tǒng)的死區(qū)時(shí)間，并確保防止功率管同時(shí)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效率與失真度的最優(yōu)設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，避免了二階閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與穩(wěn)定性問題，大大節(jié)省了芯片面積，將D類功放的非線性失真降低到可與線性放大器媲美的程度。

1 電路原理

    無濾波級(jí)D類音頻功放電路采用全差分結(jié)構(gòu)^[6-7]，整體電路采用雙邊“三態(tài)”PWM調(diào)制方案^[8]實(shí)現(xiàn)，抑制了系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，避免了輸出級(jí)的LC低通濾波器，是一種適用于便攜設(shè)備的低成本、小尺寸的優(yōu)秀音頻解決方案。無濾波級(jí)D類音頻功放系統(tǒng)如圖1所示，主要由前置運(yùn)算放大器、積分電路、死區(qū)時(shí)間控制電路、輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路以及輸出級(jí)電路構(gòu)成，采用全橋差分輸出。圖1結(jié)構(gòu)中的無濾波級(jí)D類音頻功放的失真主要由以下原因造成：(1)從調(diào)制器到開關(guān)級(jí)由于分辨率限制和時(shí)間抖動(dòng)而導(dǎo)致的PWM信號(hào)中的非線性；(2)加在柵極驅(qū)動(dòng)上的時(shí)間誤差，如死區(qū)時(shí)間、開關(guān)關(guān)斷時(shí)間，上升下降時(shí)間；(3)開關(guān)器件上的不必要特征，比如限定電阻、限定開關(guān)速度或體二極管特征；(4)雜散參數(shù)導(dǎo)致過度邊緣的震蕩；(5)由于限定的輸出電阻和通過直流母線的能量的反作用而引起的電源電壓波動(dòng)。一般來說，在柵極信號(hào)中的開關(guān)時(shí)間誤差是導(dǎo)致非線性的主要原因，特別是死區(qū)時(shí)間嚴(yán)重影響了D類音頻功放的線性度。幾十納秒少量的死區(qū)時(shí)間很容易就產(chǎn)生1%以上的總諧波失真。

    目前系統(tǒng)中常用的死區(qū)時(shí)間控制電路結(jié)構(gòu)^[9-10]如圖2所示。在高端和低端開關(guān)控制信號(hào)之間插入固定的延遲時(shí)間來作為死區(qū)時(shí)間。由于需要考慮系統(tǒng)的EMI^[11-12]表現(xiàn)，需要盡量減小電流瞬間變化的能量的反作用引起的電源線和地線的波動(dòng)。那么輸出級(jí)開關(guān)的關(guān)斷、開啟時(shí)間需要有嚴(yán)格的控制，不能過快。這就要求輸出級(jí)開關(guān)的柵極電壓上升下降時(shí)間緩慢，幾十個(gè)納秒甚至上百個(gè)納秒的上升下降時(shí)間是非常常見的。具體的柵極電壓上升下降時(shí)間的設(shè)置與系統(tǒng)總的輸出功率要求以及應(yīng)用的場(chǎng)合相關(guān)。因此，在圖2的結(jié)構(gòu)中所需要插入的延遲時(shí)間需要大于等于輸出級(jí)開關(guān)柵極電壓的上升下降時(shí)間。圖2結(jié)構(gòu)中各端點(diǎn)的信號(hào)關(guān)系如圖3所示。假設(shè)輸出級(jí)高端和低端開關(guān)的柵極電壓上升下降時(shí)間均為40 ns，則需要插入的延遲時(shí)間至少為40 ns。當(dāng)?shù)投碎_關(guān)完全關(guān)斷時(shí)，高端開關(guān)開始開啟；反之當(dāng)高端開關(guān)完全關(guān)斷時(shí)，低端開關(guān)開始開啟。這樣確保防止上端和下端開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通而引起擊穿問題，同時(shí)由于控制了柵極電壓的上升下降時(shí)間也有效控制了環(huán)路寄生效應(yīng)引起的的瞬態(tài)自激振蕩效應(yīng)，保證了系統(tǒng)的EMI表現(xiàn)。但是由于上升下降時(shí)間的控制，所需要加入的死區(qū)時(shí)間高達(dá)幾十納秒，幾十納秒的死區(qū)時(shí)間很容易就產(chǎn)生1%以上的總諧波失真(THD)，大大超過了線性功率放大器。本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的新型死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)，通過引入上下端開關(guān)功率管柵級(jí)電壓的檢測(cè)結(jié)果，并反饋至柵極電壓驅(qū)動(dòng)電路中，進(jìn)行柵極電壓的分段控制驅(qū)動(dòng)，有效地將死區(qū)時(shí)間縮短至幾乎為零，大大改善了功放的總諧波失真(THD)，并且通過上下端柵極電壓的分段控制驅(qū)動(dòng)，在改善總諧波失真的同時(shí)依然保證了系統(tǒng)良好的EMI表現(xiàn)及高轉(zhuǎn)換效率。

2 電路實(shí)現(xiàn)

    本文提出的新型死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。該系統(tǒng)包含高、低端功率管的柵極電壓檢測(cè)電路，其檢測(cè)結(jié)果被反饋至高、低端的柵極驅(qū)動(dòng)電路中，通過簡(jiǎn)單的邏輯控制驅(qū)動(dòng)級(jí)的開啟狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)柵極電壓的分段控制，實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的精確控制，將死區(qū)時(shí)間降至幾乎為零。在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率、EMI表現(xiàn)以及線性度各項(xiàng)性能中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的折中設(shè)計(jì)。其中柵極分段驅(qū)動(dòng)電路的具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。柵極電壓的波形圖如圖6所示。

    以高端功率管關(guān)斷，低端功率管開啟的邊沿為例，進(jìn)行系統(tǒng)工作過程的說明。如圖5所示，當(dāng)PWM_P為L(zhǎng)時(shí)，則低端功率管開啟，高端功率管關(guān)斷，此時(shí)無需考慮低端柵極電壓檢測(cè)電路的反饋信號(hào)，會(huì)立即開啟高端柵極弱上拉驅(qū)動(dòng)管MP0。并且高端柵極電壓檢測(cè)電路檢測(cè)發(fā)現(xiàn)此時(shí)高端的柵極過驅(qū)動(dòng)電壓遠(yuǎn)大于1/2V_CC，可以開啟強(qiáng)上拉驅(qū)動(dòng)管MP1，使得高端的柵極電壓在小于1/2V_CC這段內(nèi)可以快速地被上拉至約1/2V_CC；而由于高端的柵極電壓在由1/2V_CC至V_CC-V_{th_P}這段電壓范圍會(huì)經(jīng)歷功率管由強(qiáng)導(dǎo)通至關(guān)斷的過程，環(huán)路電流的變化大，如果柵極電壓的變化速度過快，那么環(huán)路寄生效應(yīng)引起的瞬態(tài)自激振蕩效應(yīng)會(huì)很強(qiáng)，會(huì)造成電源擾動(dòng)，影響系統(tǒng)EMI表現(xiàn)。因此在這段時(shí)間需要關(guān)掉高端強(qiáng)上拉驅(qū)動(dòng)管MP1，僅由弱上拉驅(qū)動(dòng)管MP0來上拉，形成一段緩慢的柵極關(guān)斷區(qū)，以確保電路的EMI特性。當(dāng)高端的柵極電壓在達(dá)到V_CC-V_{th_P}之后，其過驅(qū)動(dòng)電壓小于開啟閾值電壓(V_{th_P})，高端功率管進(jìn)入徹底關(guān)斷階段，這一段時(shí)間可以打開強(qiáng)上拉驅(qū)動(dòng)管MP1，使其快速從V_CC-V_{th_P}上拉到V_CC。與此同時(shí)，低端功率管的柵極驅(qū)動(dòng)電路此時(shí)接收到高端柵極電壓檢測(cè)電路的反饋信號(hào)，直到此時(shí)高端的柵極電壓V_GP>V_CC-V_{th_P}，要進(jìn)入完全關(guān)斷階段，則低端的柵極電壓可以開始啟動(dòng)了。如圖5所示其弱驅(qū)動(dòng)管MP2開啟，并且低端柵極電壓檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)低端的柵極電壓此時(shí)小于其開啟閾值電壓，因此此段同時(shí)開啟強(qiáng)驅(qū)動(dòng)管MP3，將低端功率管的柵極電壓快速上拉至開啟閾值電壓附近。接下來，低端的柵極電壓將進(jìn)入從關(guān)斷到開啟的階段，同樣此階段電流會(huì)有大的變化，應(yīng)當(dāng)關(guān)斷強(qiáng)驅(qū)動(dòng)管MP3，僅留下弱驅(qū)動(dòng)管，使低端的柵極電壓緩慢上升至1/2V_CC。當(dāng)?shù)投说墓β使艿臇艠O電壓達(dá)到1/2V_CC時(shí)，低端功率管已經(jīng)處于強(qiáng)導(dǎo)通的狀態(tài)。因此，在后半段由1/2V_CC繼續(xù)上升到V_CC的階段可以打開強(qiáng)驅(qū)動(dòng)管MP3，將低端功率管的柵極電壓由1/2V_CC迅速上拉至V_CC，完成開啟。這樣高、低端功率管的柵極電壓在關(guān)斷、開啟時(shí)分別形成了三段式控制波形，如圖6所示。對(duì)高端功率管而言在并不影響系統(tǒng)EMI特性的0~1/2V_CC階段以及(V_CC-V_{th_P})~V_CC完全關(guān)斷階段使用快速上拉關(guān)斷，而在1/2V_CC至V_CC-V_{th_P}階段保持慢速上拉。對(duì)低端功率管而言在0~V_{th_N}未開啟階段以及1/2V_CC~V_CC的強(qiáng)開啟階段使用快速開啟，而V_{th_N}~1/2V_CC由關(guān)斷至強(qiáng)開啟的階段僅由弱驅(qū)動(dòng)管開啟，保持此段的慢速開啟。同理，如圖6所示，當(dāng)PWM_P為H，即低端功率管關(guān)斷，高端功率管開啟時(shí)，電路的工作原理類似，同樣引入低端柵極電壓的開啟閾值檢測(cè)反饋至高端柵極驅(qū)動(dòng)電路，形成高、低端開啟和關(guān)斷的三段式電壓控制。這樣的分段式管理，確保了系統(tǒng)的EMI特性，控制了由電流變化引起激蕩效應(yīng)對(duì)電源的擾動(dòng)；并且將整個(gè)柵極電壓的關(guān)斷時(shí)間及開啟時(shí)間進(jìn)行合理的加速，減小了柵極上關(guān)斷及開啟時(shí)間對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的影響。并且將需要關(guān)斷端的柵極電壓的閾值檢測(cè)結(jié)果反饋給需要開啟端的驅(qū)動(dòng)電路，確保一端的功率管關(guān)斷，才開始開啟另一端的功率管，保證不會(huì)造成高低端間的直通，造成功率管損壞。同時(shí)由于一檢測(cè)到需要關(guān)斷端功率管的過驅(qū)動(dòng)電壓小于其開啟閾值電壓就開始開啟另一端的功率管，并且此時(shí)另一端的功率管是迅速上拉至開啟閾值電壓附近的，因此從一端功率管關(guān)斷轉(zhuǎn)換到另一端功率管開啟的狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換死區(qū)時(shí)間幾乎為零，大大降低了死區(qū)時(shí)間造成的非線性失真。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

    集成了這種新型死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)的2.1 W單聲道無濾波級(jí)全差分D類音頻功放，采用0.35 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。圖7為該芯片的照片。

    用音頻分析測(cè)試儀(Audio Precision)對(duì)封裝好的樣品進(jìn)行測(cè)試，圖8給出了當(dāng)電源電壓為3.6 V以及4.2 V時(shí)，8 Ω喇叭負(fù)載，增益設(shè)置設(shè)置為0 dB，輸入1 kHz頻率信號(hào)時(shí)，該無濾波級(jí)D類音頻功放的總諧波失真與噪聲(THD+N)隨輸隨功率變化的測(cè)試結(jié)果。其中圖8(a)為未采用新型死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)的舊款芯片的測(cè)試結(jié)果，圖8(b)為采用了本文提出的新型死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)的升級(jí)版芯片的測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，采用新型死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)以后，D類音頻功放在整個(gè)功率范圍內(nèi)，都能保持較低的THD+N，即(THD+N)<0.1%；且在輸出功率為100 mW～1 W范圍內(nèi)保證總諧波失真<0.05%。而未采用此新型死區(qū)時(shí)間控制電路的芯片，總諧波失真基本在0.5%左右。因此，本文提出的新型死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)能在保證無濾波級(jí)D類音頻功放的EMI表現(xiàn)良好且不影響系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的情況下，大大降低了D類功放的總諧波失真，將THD+N性能表現(xiàn)改善了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種可集成于無濾波級(jí)D類音頻放大器的新型死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)。集成該死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)的2.1 W單聲道無濾波級(jí)D類音頻功放，已經(jīng)采用0.35 μm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，通過本文提出的死區(qū)時(shí)間控制系統(tǒng)，能在保證無濾波級(jí)D類音頻功放的EMI表現(xiàn)良好且不影響系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的情況下，大大降低了D類功放的總諧波失真。其總諧波失真在4.2 V電源供電，輸入信號(hào)頻率為1 kHz，輸出功率為1 W時(shí)，可以低至0.03%，完全媲美線性功率放大器。

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作者信息:

王紹清

(矽恩微電子廈門有限公司，福建 廈門361005)