增強(qiáng)高功率D類音頻放大器設(shè)計(jì)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(dòng)D類放大器在高功率音頻中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬實(shí)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(duì)音頻的高保真性能，占據(jù)了高端音頻市場(chǎng)。
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(dòng)D類放大器在高功率音頻中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬實(shí)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(duì)音頻的高保真性能，占據(jù)了高端音頻市場(chǎng)。D類系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)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(chǎng)中的差距。
典型的D類音頻系統(tǒng)先把模擬音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字PWM信號(hào)，在數(shù)字域進(jìn)行功率放大，然后再把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)輸出。如圖1所示，輸入的音頻信號(hào)被送到一個(gè)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(guò)生成與音頻輸入信號(hào)瞬時(shí)值成正比的調(diào)制占空比信號(hào)對(duì)音頻數(shù)字化。
圖1：D類放大器的基本框圖
PWM信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娖阶儞Q，然后送到柵極驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制由MOSFET（M1和M2）組成的雙態(tài)功率電路。放大后的信號(hào)然后通過(guò)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(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。通過(guò)把濾波器輸入信號(hào)反饋到錯(cuò)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(jì)
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(jì)）。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(shí)間花費(fèi)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換上。離散的開關(guān)動(dòng)作和低MOSFET導(dǎo)通阻抗，減少了I2R損耗，提高了效率。然而，在實(shí)踐中，開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）必須足夠長(zhǎng)以避免兩開關(guān)同時(shí)運(yùn)行時(shí)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(duì)于音頻系統(tǒng)，保真度一直是聲音質(zhì)量的代名詞。同時(shí)其他指標(biāo)也被用于衡量保真度，部分指標(biāo)的測(cè)量對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)特別具有挑戰(zhàn)性。最具挑戰(zhàn)性的兩個(gè)指標(biāo)是：總諧波失真（THD）和噪聲（N），統(tǒng)稱為THD+N。
THD是對(duì)音頻系統(tǒng)的精確測(cè)量，非常類似于高保真本身。再生信號(hào)的誤差來(lái)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(hào)。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(cè)量獲得。THD性能對(duì)于大多數(shù)非高保真音頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常小于0.1%，挑剔的聽眾通常需要THD等級(jí)低至0.05％甚至更低。
輸出噪聲等級(jí)是對(duì)沒(méi)有信號(hào)輸入的放大器輸出的本底噪聲電平的測(cè)量。對(duì)于大多數(shù)揚(yáng)聲器來(lái)說(shuō)，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(dòng)器IC：特性和益處
可編程死區(qū)時(shí)間
D類放大器死區(qū)時(shí)間（即兩個(gè)開關(guān)均處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的時(shí)間段）直接影響到效率和THD。過(guò)于短暫的死區(qū)時(shí)間會(huì)引起直通電流，降低效率，過(guò)長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間又會(huì)增大THD，這會(huì)給音頻保真度帶來(lái)不利影響。
必須精確設(shè)定死區(qū)時(shí)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(dòng)器具有不精確的、重疊的死區(qū)時(shí)間設(shè)置（即1/n延遲值）。因此，多數(shù)設(shè)計(jì)人員都選擇采用分立元件來(lái)處理死區(qū)時(shí)間，這不僅花費(fèi)高而且耗時(shí)間。一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)器。
電平變換
由于輸入電平轉(zhuǎn)換的要求，實(shí)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(shí)際D類放大器設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器輸出接地端子采用負(fù)電壓軌，要求輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換到負(fù)電源）。通過(guò)分立器件添加該項(xiàng)功能，成本高、設(shè)計(jì)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(jì)的顯著優(yōu)勢(shì)。
通常，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器解決方案不提供輸入輸出隔離，也不提供驅(qū)動(dòng)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(dòng)器IC在20V/ns或更大的高電壓瞬變時(shí)容易發(fā)生鎖閉，通常情況下對(duì)高轉(zhuǎn)換速率瞬變?cè)肼暎◤墓β始?jí)反饋耦合到精確數(shù)字輸入端）沒(méi)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(shí)，缺乏噪聲抑制是其主要劣勢(shì)。
高頻操作
D類柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器僅支持最高1MHz的調(diào)制頻率。
集成度
在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的全球市場(chǎng)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(jì)人員提供很大便利，他們可以通過(guò)縮短設(shè)計(jì)時(shí)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(lái)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(dòng)器IC對(duì)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(dòng)器是首個(gè)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(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)包括：為最低THD和最佳功效提供高精度死區(qū)時(shí)間設(shè)置；無(wú)需為輸入信號(hào)電平轉(zhuǎn)換而增加復(fù)雜設(shè)計(jì)和器件數(shù)量；隔離的輸出驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)化雙態(tài)開關(guān)器實(shí)現(xiàn)；對(duì)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(dòng)程序的更多內(nèi)容，以及如何利用這些柵極驅(qū)動(dòng)器為高保真音頻市場(chǎng)提供新的設(shè)計(jì)思路，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：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。