D類放大器逐漸成為高端家用A/V設備以及移動設備的首選拓撲，能夠幫助設計者實現(xiàn)高性能與小尺寸組合，而這正是全世界用戶所期望和需要的。現(xiàn)在，高集成度D類放大器件，包括單個封裝內(nèi)的整個放大器模塊 - 的出現(xiàn)讓企業(yè)能夠更快地將價格極具競爭力的新產(chǎn)品推向市場，并且其音頻性能達到或者超過了傳統(tǒng)的模擬放大器。
D類音頻放大器可以在90%左右的效率水平下運行，讓設計者能夠利用小型散熱器或者無需散熱器即可提供極高的音頻輸出。這樣就能夠實現(xiàn)新的小型音頻產(chǎn)品，而這是利用傳統(tǒng)的模擬AB類放大器無法實現(xiàn)的。
然而，從頭設計D類放大器并非易事。巨大的挑戰(zhàn)在于確保放大器能夠安全運行。但是，如果可以實現(xiàn)這一點，音頻性能或多或少是可以預知的，并且主要取決于所用元件的質(zhì)量。
本文將比較AB類和D類放大器的設計與性能，介紹D類設計相關的主要挑戰(zhàn)，說明更高的集成度如何幫助工程師更快的完成設計和實現(xiàn)成本與性能目標。
模擬與數(shù)字放大器設計
多年以來，AB類模擬拓撲已廣泛用于整個音頻行業(yè)。AB類操作結合了A類操作(其中，輸出晶體管永遠不會關閉，導致功耗居高不下)和B類操作(其中，每個器件都只會接通半個信號周期(180度)，從而大幅降低了功耗)。在AB類放大器內(nèi)，各個輸出器件都會接通200度左右，犧牲了一定的能效，但是產(chǎn)生了少量重疊，從而減輕了一個器件關閉，另一個器件接通時的交越失真。
為了利用AB類放大器實現(xiàn)盡可能最高的音頻保真度，設計者必須以最佳的方式偏置晶體管，以便操作保持在線性區(qū)域內(nèi)和將交越失真最小化。器件選擇和電路布局也會影響聲音的質(zhì)量和類型，從而讓設計者能夠針對某些應用和環(huán)境優(yōu)化之。通常，AB類放大器的工作效率為30-35%。這比純A類設計15-30%的效率高得多，但是需要添加大型散熱器，從而增加了成品的成本和體積。
過去，設備采購商易于接受高級高保真音響和音/視頻設備體積大的問題。然而，當今對高性能移動設備和更流行的超薄家用多媒體系統(tǒng)的需求越來越需要能夠提供同等或更高音質(zhì)、占用的PCB面積更小、工作效率更高、能耗更低、需要更少散熱器的數(shù)字放大器。
在D類放大器中，輸出晶體管是在開關模式下運行，而不是在線性區(qū)域內(nèi)運行，這樣就讓設計者能夠提供當今終端用戶期望的外形更小巧、能效更高的產(chǎn)品。在輸出端，利用低通濾波器去除開關載波信號及其諧波，從而產(chǎn)生高質(zhì)量放大音頻信號。
D類放大器的通用功能模塊如圖1所示。將輸入音頻信號與高頻鋸齒波形對比，生成輸入的脈寬調(diào)制方波表達式。鋸齒波頻率通常在400kHz上下。這正好在音頻信號頻率范圍之外，因此有助于簡化輸出濾波器設計。
圖1：D類放大器的主要功能模塊
然后，音頻信號的脈寬調(diào)制等效信號被用于驅動放大器輸出級，它是全橋或者半橋MOSFET陣列。輸出拓撲選擇取決于系統(tǒng)要求，例如成本、功率輸出和電源設計。例如，半橋輸出級需要正、負供電。另一方面，全橋能夠由單電源供電，并且還能為給定的電源電壓產(chǎn)生較高的輸出。
在這兩種情況下，輸出MOSFET的特性均針對D類音頻放大器操作進行了優(yōu)化，從而能夠實現(xiàn)效率最大化，并保證低總諧波失真+噪聲(THD+ N)和EMI。這需要低導通電阻(用于在終端產(chǎn)品內(nèi)實現(xiàn)高電源密度)以及優(yōu)化的柵極電荷和體二極管反向恢復特性(用于實現(xiàn)快速且高效的交換)。
放大的音頻信號包含在MOSFET橋輸出端處的方波內(nèi)。低通濾波消除了音頻外頻率，恢復了純音頻信號以便驅動揚聲器。
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D類設計挑戰(zhàn)
由于功率晶體管不是處于硬開狀態(tài)，就是處于全關狀態(tài)，所以設計者無需做任何調(diào)整就可以優(yōu)化性能。然而，PWM變換級必須得到很好的保護，并且需要精確的柵極控制和低脈寬失真，以及高、低端驅動信號要匹配，方可將死區(qū)時間最小化，進而實現(xiàn)最佳線性度。
開發(fā)風險很高，設計D類放大器本來就是一個功率電子挑戰(zhàn)，需要具備開關控制和保護電路設計方面的知識。如果設計階段沒有正確解決這些問題，那么原型就可能無法運行或者在測試時出現(xiàn)災難性的故障。如果發(fā)生了這類故障，那么查明和修正這些缺陷就會非常困難，并且還會額外增加成本和導致項目延期完成。
參照圖1，就能夠確定與放大器的主要功能模塊相關的主要設計挑戰(zhàn)了。
誤差放大器和噪聲隔離
音頻放大器的主要品質(zhì)因數(shù)為噪聲和總諧波失真(THD)。在D類放大器中，這些是由缺陷造成的，包括有限的開關時間、過上/下沖和電源波動。要將這些影響降至最低水平，就需要仔細設計適當?shù)恼`差放大器，它能夠通過比較輸入和輸出音頻信號來修正輸出級內(nèi)的缺陷。然而，A類或AB類設計所用的典型誤差放大器不適于D類音頻放大器的嘈雜環(huán)境。購買合適的運算放大器和確保足夠高的抗噪性可能會很困難而且代價高昂。
就噪聲隔離而言，D類拓撲要求前、后端要盡可能地靠近彼此。在分立式解決方案中，設計者必須決定如何將輸入端的噪聲敏感型模擬電路與輸出級產(chǎn)生的潛在破壞性開關噪聲隔離開來。集成式D類放大器模塊讓設計者能夠繞開這些挑戰(zhàn)。然而，利用適當?shù)钠骷?個電路之間實現(xiàn)充分的電隔離至關重要。
PWM比較器和電平移位
誤差放大器處理完輸入音頻信號并產(chǎn)生形狀適當?shù)妮敵鲋螅容^器會將該模擬信號轉換成脈寬調(diào)制(PWM)信號。
柵極驅動和MOSFET開關
柵極驅動級接收來自于比較器的PWM信號。這個階段，在高端和低端MOSFET的導通相之間插入死區(qū)時間，用以防止過大的電流流過電橋。死區(qū)時間消除了輸出MOSFET開關延遲時間的影響，開關延遲會產(chǎn)生破壞性直通電流通行，因此能夠保證安全操作。然而，插入死區(qū)時間還會導致非線性，從而產(chǎn)生不必要的失真。
精確的柵極控制是實現(xiàn)高音頻性能的關鍵。柵極驅動器必須具有脈寬失真低的特性，并且高、低端柵極驅動器級之間要匹配。這2個特性對于將死區(qū)時間最小化以便實現(xiàn)線性放大器性能而言至關重要。事實上，死區(qū)時間插入通常被視為D類放大器交換級設計中最關鍵的部分。
保護電路
由于MOSFET的功耗與負載電流的平方成正比，所以保護電路通常要監(jiān)測負載電流，以便防止在過載條件下發(fā)生MOSFET故障。外部分流電阻器通常用于負載電流檢測，但是電阻選擇和噪聲濾波等方面也很關鍵。這會增加整個解決方案的成本和物理尺寸，并且會拖延項目完成時間。
還需要保護電路來解決由于功率級的關鍵電流環(huán)路通道內(nèi)的雜散電感而產(chǎn)生的其它開關噪聲的影響。
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D類音頻放大器IC
為了幫助音頻工程師迅速完成D類設計和避開原型開發(fā)過程中的陷阱，IR利用其在功率集成方面的專業(yè)知識制定了D類音頻IC的發(fā)展路線圖，向著在單個封裝內(nèi)實現(xiàn)完整D類放大器的方向邁進。
該系列的首款器件為IRS2092音頻驅動器，具有受保護的PWM開關功能。它設計用于連接從IR 50W~500W目標應用中選擇的外部數(shù)字音頻MOSFET。這些器件讓設計者能夠采用芯片集成法實現(xiàn)比類似的AB類設計小得多的D類音頻解決方案。利用IRS2092驅動2個IRF6645 DirectFET音頻MOSFET讓設計者能夠創(chuàng)造板空間小60%、典型物料成本低20%的100W放大器。
IRS2092整合了誤差放大器、PWM比較器、具有死區(qū)時間插入功能的MOSFET變換級和過載保護功能，這些都是D類放大器的主要功能元件。圖2中的模塊簡圖介紹了這些功能。
圖2：IRS2092 D類放大器IC的模塊簡圖
內(nèi)置式誤差放大器基于優(yōu)化的、帶寬為9MHz的高抗噪性運算放大器，讓設計者能夠實現(xiàn)遠低于0.01%的音頻失真(THD)。然后，PWM比較器將模擬信號轉換成傳播延遲短的PWM，這讓設計者能夠自由地優(yōu)化反饋環(huán)路。通常，一部分開關信號被反饋給誤差放大器的輸入端，并利用低通濾波器進行預處理。然而，可以通過拉近來自于輸出端的反饋之間的距離來降低失真和負載依賴度。IRS2092讓設計者能夠從任意被認為是最佳的點獲得反饋和增加穩(wěn)定性補償，從而實現(xiàn)發(fā)燒友級諧波失真和噪聲(THD + N)性能。
高壓電平移位器將接地參考數(shù)字信號轉換成以高端和低端MOSFET的各個源為參考的柵極驅動信號，從而無論各端存在著怎樣的電壓差異都能夠準確地轉發(fā)PWM信號，正如理想的差分放大器那樣。獲得專利的結隔離法能夠防止輸出電路產(chǎn)生的噪聲干擾輸入信號。
在柵極驅動級的各個導通狀態(tài)之間插入死區(qū)時間，以便防止高、低端MOSFET內(nèi)同時出現(xiàn)導通狀態(tài)。事實上，IRS2092讓設計者能夠根據(jù)所選MOSFET選擇死區(qū)時間的長短。保證期限讓設計者免去了評估最差情況的環(huán)節(jié)。
跟分立式解決方案不同，IRS2092中內(nèi)置了過載保護，可以監(jiān)測輸出電流，并且如果超過了預定的閾值，還可以關閉PWM。
其它與功率變換級設計關系緊密的重要放大器特性包括消除脈寬調(diào)制器產(chǎn)生的EMI的措施，以及用于在啟動和關閉過程中降低開關噪聲的電路。通過在內(nèi)部實現(xiàn)這些特性，IRS2092進一步降低了設計開銷和元件數(shù)量。這種方法解決了與D類放大器有關的功率電子設計挑戰(zhàn)，為工程師應用專業(yè)音頻技巧進一步提升性能打下了基礎。
實際的集成式放大器
為了給設計者提供進一步的幫助，IR證明這種方法也適用于120W雙通道半橋參考設計IRAUDAMP5。在利用IRF6645 DirectFET MOSFET驅動4Ω揚聲器負載內(nèi)的2x60W時，放大器在輸出端實現(xiàn)了極低的THD+N(0.005%)。并且，在120W下實現(xiàn)了96%的通道效率。參考設計可以為選擇反饋(來自于功率輸出級)通道內(nèi)所需的外部集成器元件和RC濾波器元件提供指導。并且，還提供了全部所需家用電源、優(yōu)化的板布局、PCB制造詳情和物料清單。設計無需散熱器即可在1/8連續(xù)額定功率下正常運行，并且輸出功率和通道數(shù)量均可擴展。
音頻放大器設計的另一個重要方面是保證啟動和關閉規(guī)程的正確性，防止這些間隔期間出現(xiàn)的瞬態(tài)通過輸出揚聲器產(chǎn)生聽得到的開關噪聲。傳統(tǒng)地，通過插入只有在啟動瞬態(tài)通過之后將揚聲器與音頻放大器連接到一起，并在關閉放大器之前斷開揚聲器連接的串聯(lián)繼電器來將這些瞬態(tài)摒除在揚聲器之外。由于IRS2092集成了開關噪聲消除功能，所以IRAUDAMP5無需任何串聯(lián)繼電器即可斷開揚聲器，防止產(chǎn)生聽得見的瞬態(tài)噪聲。
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單封裝D類放大器
利用這種方法，下一級集成是在相同的封裝內(nèi)添加針對數(shù)字音頻應用進行了優(yōu)化的功率MOSFET，以及PWM控制器、柵極驅動器電路和集成式保護特性。IR的最新PowIRaudio系列集成式功率模塊實現(xiàn)了這一目標，讓設計者能夠為面向高性能高保真音響、家庭影院系統(tǒng)和汽車音響等應用的高效放大器進一步減少元件數(shù)量，并且將電路板尺寸縮小了70%之多。
該系列的4款PowIRaudio器件包括IR4301M、IR4311M、IR4302M和IR4312M，支持35W/4Ω~130W/4Ω全橋和半橋拓撲，讓設計者能夠配置2.1通道、5通道、6通道和7.1通道應用。這些器件具有很寬的工作電壓范圍，IR4301/4302和IR4311/4312的工作電壓分別高達62V/±31V和32V/±16V。該系列共有的其它重要特性包括過流保護、熱關斷、內(nèi)部/外部關斷和浮動差分輸入。IR4302和IR4312還具有芯片檢測功能。
利用這些器件，設計者可以構建面向典型音樂回放應用的放大器，其無需機械散熱器并且能夠實現(xiàn)出色的音頻性能，例如THD+N低至0.02%。控制器IC的高抗噪性保證在各種環(huán)境條件下均能實現(xiàn)可靠操作。這些器件采用散熱型PQFN封裝，尺寸為5mm x 6mm(IR4301/4311)和7mm x 7mm(IR4302/4312)，因此實現(xiàn)了IR高級D類組合封裝解決方案優(yōu)勢最大化。
為了幫助完成定制設計，共提供了6個參考設計，利用了采用單端和獨立電源配置的IR4301和IR4302，以及采用單端電源的IR4311和IR4312。這些設計面向35W、70W、100W和130W應用，包括帶和不帶散熱器的配置。采用IR4302、面向100W雙通道無散熱器放大器的IRAUDAMP17參考設計如圖3所示。
圖3：采用IR4302的100W雙通道D類參考設計
放大器功耗與THD+N性能的關系如圖4所示，效率與功耗的關系如圖5所示。
圖4：采用IR4302的IRAUDAMP17參考設計的THD+N與功耗的關系
圖5：采用IR4302的IRAUDAMP17參考設計的效率與功耗的關系
通過簡化新一代交鑰匙D類芯片放大器的獲得方法，這些參考設計能夠幫助設計者克服散熱挑戰(zhàn)，在適用于家庭影院和電視、音頻擴展、有源音箱、樂器和售后市場汽車系統(tǒng)等產(chǎn)品的、寬額定音頻輸出功率范圍內(nèi)實現(xiàn)小型化設定新標準。
利用這種方法，設計者可以保證在合理的時間窗口內(nèi)完成各個項目，實現(xiàn)規(guī)定的音頻質(zhì)量目標，同時還能為產(chǎn)品小型化設定新標準和實現(xiàn)極具競爭力的價格。
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