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實(shí)現(xiàn)最佳音頻性能的D類放大器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
發(fā)布時(shí)間：2022-07-20 00:00:00 瀏覽：2057次
摘要： D類放大器逐漸成為高端家用A/V設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備的首選拓?fù)?，能夠幫助設(shè)計(jì)者實(shí)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?，F(xiàn)在，高集成度D類放大器件，包括單個(gè)封裝內(nèi)的整個(gè)放大器模塊 - 的出現(xiàn)讓企業(yè)能夠更快地將價(jià)格極具競爭力的新產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并且其音頻性能達(dá)到或者超過了傳統(tǒng)的模擬放大器。
D類放大器逐漸成為高端家用A/V設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備的首選拓?fù)?，能夠幫助設(shè)計(jì)者實(shí)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(gè)封裝內(nèi)的整個(gè)放大器模塊 - 的出現(xiàn)讓企業(yè)能夠更快地將價(jià)格極具競爭力的新產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并且其音頻性能達(dá)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(yùn)行，讓設(shè)計(jì)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?qū)崿F(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(shí)現(xiàn)的。
然而，從頭設(shè)計(jì)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(yùn)行。但是，如果可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，音頻性能或多或少是可以預(yù)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(shè)計(jì)與性能，介紹D類設(shè)計(jì)相關(guān)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(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成本與性能目標(biāo)。
模擬與數(shù)字放大器設(shè)計(jì)
多年以來，AB類模擬拓?fù)湟褟V泛用于整個(gè)音頻行業(yè)。AB類操作結(jié)合了A類操作(其中，輸出晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)關(guān)閉，導(dǎo)致功耗居高不下)和B類操作(其中，每個(gè)器件都只會(huì)接通半個(gè)信號(hào)周期(180度)，從而大幅降低了功耗)。在AB類放大器內(nèi)，各個(gè)輸出器件都會(huì)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(gè)器件關(guān)閉，另一個(gè)器件接通時(shí)的交越失真。
為了利用AB類放大器實(shí)現(xiàn)盡可能最高的音頻保真度，設(shè)計(jì)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(huì)影響聲音的質(zhì)量和類型，從而讓設(shè)計(jì)者能夠針對(duì)某些應(yīng)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(shè)計(jì)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(shè)備采購商易于接受高級(jí)高保真音響和音/視頻設(shè)備體積大的問題。然而，當(dāng)今對(duì)高性能移動(dòng)設(shè)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(guān)模式下運(yùn)行，而不是在線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，這樣就讓設(shè)計(jì)者能夠提供當(dāng)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(guān)載波信號(hào)及其諧波，從而產(chǎn)生高質(zhì)量放大音頻信號(hào)。
D類放大器的通用功能模塊如圖1所示。將輸入音頻信號(hào)與高頻鋸齒波形對(duì)比，生成輸入的脈寬調(diào)制方波表達(dá)式。鋸齒波頻率通常在400kHz上下。這正好在音頻信號(hào)頻率范圍之外，因此有助于簡化輸出濾波器設(shè)計(jì)。
圖1：D類放大器的主要功能模塊。
然后，音頻信號(hào)的脈寬調(diào)制等效信號(hào)被用于驅(qū)動(dòng)放大器輸出級(jí)，它是全橋或者半橋MOSFET陣列。輸出拓?fù)溥x擇取決于系統(tǒng)要求，例如成本、功率輸出和電源設(shè)計(jì)。例如，半橋輸出級(jí)需要正、負(fù)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(duì)D類音頻放大器操作進(jìn)行了優(yōu)化，從而能夠?qū)崿F(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(dǎo)通電阻(用于在終端產(chǎn)品內(nèi)實(shí)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(fù)特性(用于實(shí)現(xiàn)快速且高效的交換)。
放大的音頻信號(hào)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(fù)了純音頻信號(hào)以便驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。
D類設(shè)計(jì)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(guān)狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)者無需做任何調(diào)整就可以優(yōu)化性能。然而，PWM變換級(jí)必須得到很好的保護(hù)，并且需要精確的柵極控制和低脈寬失真，以及高、低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)要匹配，方可將死區(qū)時(shí)間最小化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳線性度。
開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)很高，設(shè)計(jì)D類放大器本來就是一個(gè)功率電子挑戰(zhàn)，需要具備開關(guān)控制和保護(hù)電路設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。如果設(shè)計(jì)階段沒有正確解決這些問題，那么原型就可能無法運(yùn)行或者在測(cè)試時(shí)出現(xiàn)災(zāi)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(huì)非常困難，并且還會(huì)額外增加成本和導(dǎo)致項(xiàng)目延期完成。
參照?qǐng)D1，就能夠確定與放大器的主要功能模塊相關(guān)的主要設(shè)計(jì)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(guān)時(shí)間、過上/下沖和電源波動(dòng)。要將這些影響降至最低水平，就需要仔細(xì)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼`差放大器，它能夠通過比較輸入和輸出音頻信號(hào)來修正輸出級(jí)內(nèi)的缺陷。然而，A類或AB類設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器和確保足夠高的抗噪性可能會(huì)很困難而且代價(jià)高昂。
就噪聲隔離而言，D類拓?fù)湟笄?、后端要盡可能地靠近彼此。在分立式解決方案中，設(shè)計(jì)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(jí)產(chǎn)生的潛在破壞性開關(guān)噪聲隔離開來。集成式D類放大器模塊讓設(shè)計(jì)者能夠繞開這些挑戰(zhàn)。然而，利用適當(dāng)?shù)钠骷?個(gè)電路之間實(shí)現(xiàn)充分的電隔離至關(guān)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(hào)并產(chǎn)生形狀適當(dāng)?shù)妮敵鲋螅容^器會(huì)將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。
柵極驅(qū)動(dòng)和MOSFET開關(guān)
柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)接收來自于比較器的PWM信號(hào)。這個(gè)階段，在高端和低端MOSFET的導(dǎo)通相之間插入死區(qū)時(shí)間，用以防止過大的電流流過電橋。死區(qū)時(shí)間消除了輸出MOSFET開關(guān)延遲時(shí)間的影響，開關(guān)延遲會(huì)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(shí)間還會(huì)導(dǎo)致非線性，從而產(chǎn)生不必要的失真。
精確的柵極控制是實(shí)現(xiàn)高音頻性能的關(guān)鍵。柵極驅(qū)動(dòng)器必須具有脈寬失真低的特性，并且高、低端柵極驅(qū)動(dòng)器級(jí)之間要匹配。這2個(gè)特性對(duì)于將死區(qū)時(shí)間最小化以便實(shí)現(xiàn)線性放大器性能而言至關(guān)重要。事實(shí)上，死區(qū)時(shí)間插入通常被視為D類放大器交換級(jí)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。
保護(hù)電路
由于MOSFET的功耗與負(fù)載電流的平方成正比，所以保護(hù)電路通常要監(jiān)測(cè)負(fù)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(fù)載電流檢測(cè)，但是電阻選擇和噪聲濾波等方面也很關(guān)鍵。這會(huì)增加整個(gè)解決方案的成本和物理尺寸，并且會(huì)拖延項(xiàng)目完成時(shí)間。
還需要保護(hù)電路來解決由于功率級(jí)的關(guān)鍵電流環(huán)路通道內(nèi)的雜散電感而產(chǎn)生的其它開關(guān)噪聲的影響。
D類音頻放大器IC
為了幫助音頻工程師迅速完成D類設(shè)計(jì)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(shí)制定了D類音頻IC的發(fā)展路線圖，向著在單個(gè)封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整D類放大器的方向邁進(jìn)。
該系列的首款器件為IRS2092音頻驅(qū)動(dòng)器，具有受保護(hù)的PWM開關(guān)功能。它設(shè)計(jì)用于連接從IR 50W~500W目標(biāo)應(yīng)用中選擇的外部數(shù)字音頻MOSFET。這些器件讓設(shè)計(jì)者能夠采用芯片集成法實(shí)現(xiàn)比類似的AB類設(shè)計(jì)小得多的D類音頻解決方案。利用IRS2092驅(qū)動(dòng)2個(gè)IRF6645 DirectFET音頻MOSFET讓設(shè)計(jì)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(shí)間插入功能的MOSFET變換級(jí)和過載保護(hù)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(yùn)算放大器，讓設(shè)計(jì)者能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)低于0.01%的音頻失真(THD)。然后，PWM比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳播延遲短的PWM，這讓設(shè)計(jì)者能夠自由地優(yōu)化反饋環(huán)路。通常，一部分開關(guān)信號(hào)被反饋給誤差放大器的輸入端，并利用低通濾波器進(jìn)行預(yù)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(fù)載依賴度。IRS2092讓設(shè)計(jì)者能夠從任意被認(rèn)為是最佳的點(diǎn)獲得反饋和增加穩(wěn)定性補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)燒友級(jí)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(hào)轉(zhuǎn)換成以高端和低端MOSFET的各個(gè)源為參考的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而無論各端存在著怎樣的電壓差異都能夠準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)PWM信號(hào)，正如理想的差分放大器那樣。獲得專利的結(jié)隔離法能夠防止輸出電路產(chǎn)生的噪聲干擾輸入信號(hào)。
在柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)的各個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)之間插入死區(qū)時(shí)間，以便防止高、低端MOSFET內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)。事實(shí)上，IRS2092讓設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)所選MOSFET選擇死區(qū)時(shí)間的長短。保證期限讓設(shè)計(jì)者免去了評(píng)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(hù)，可以監(jiān)測(cè)輸出電流，并且如果超過了預(yù)定的閾值，還可以關(guān)閉PWM。
其它與功率變換級(jí)設(shè)計(jì)關(guān)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(dòng)和關(guān)閉過程中降低開關(guān)噪聲的電路。通過在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這些特性，IRS2092進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)開銷和元件數(shù)量。這種方法解決了與D類放大器有關(guān)的功率電子設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，為工程師應(yīng)用專業(yè)音頻技巧進(jìn)一步提升性能打下了基礎(chǔ)。
實(shí)際的集成式放大器
為了給設(shè)計(jì)者提供進(jìn)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(shè)計(jì)IRAUDAMP5。在利用IRF6645 DirectFET MOSFET驅(qū)動(dòng)4Ω揚(yáng)聲器負(fù)載內(nèi)的2x60W時(shí)，放大器在輸出端實(shí)現(xiàn)了極低的THD+N(0.005%)。并且，在120W下實(shí)現(xiàn)了96%的通道效率。參考設(shè)計(jì)可以為選擇反饋(來自于功率輸出級(jí))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(dǎo)。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(shè)計(jì)無需散熱器即可在1/8連續(xù)額定功率下正常運(yùn)行，并且輸出功率和通道數(shù)量均可擴(kuò)展。
音頻放大器設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是保證啟動(dòng)和關(guān)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(yáng)聲器產(chǎn)生聽得到的開關(guān)噪聲。傳統(tǒng)地，通過插入只有在啟動(dòng)瞬態(tài)通過之后將揚(yáng)聲器與音頻放大器連接到一起，并在關(guān)閉放大器之前斷開揚(yáng)聲器連接的串聯(lián)繼電器來將這些瞬態(tài)摒除在揚(yáng)聲器之外。由于IRS2092集成了開關(guān)噪聲消除功能，所以IRAUDAMP5無需任何串聯(lián)繼電器即可斷開揚(yáng)聲器，防止產(chǎn)生聽得見的瞬態(tài)噪聲。
單封裝D類放大器
利用這種方法，下一級(jí)集成是在相同的封裝內(nèi)添加針對(duì)數(shù)字音頻應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的功率MOSFET，以及PWM控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器電路和集成式保護(hù)特性。IR的最新PowIRaudio系列集成式功率模塊實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，讓設(shè)計(jì)者能夠?yàn)槊嫦蚋咝阅芨弑Ｕ嬉繇?、家庭影院系統(tǒng)和汽車音響等應(yīng)用的高效放大器進(jìn)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?fù)?，讓設(shè)計(jì)者能夠配置2.1通道、5通道、6通道和7.1通道應(yīng)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(dá)62V/±31V和32V/±16V。該系列共有的其它重要特性包括過流保護(hù)、熱關(guān)斷、內(nèi)部/外部關(guān)斷和浮動(dòng)差分輸入。IR4302和IR4312還具有芯片檢測(cè)功能。
利用這些器件，設(shè)計(jì)者可以構(gòu)建面向典型音樂回放應(yīng)用的放大器，其無需機(jī)械散熱器并且能夠?qū)崿F(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(shí)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(shí)現(xiàn)了IR高級(jí)D類組合封裝解決方案優(yōu)勢(shì)最大化。
為了幫助完成定制設(shè)計(jì)，共提供了6個(gè)參考設(shè)計(jì)，利用了采用單端和獨(dú)立電源配置的IR4301和IR4302，以及采用單端電源的IR4311和IR4312。這些設(shè)計(jì)面向35W、70W、100W和130W應(yīng)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(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3：采用IR4302的100W雙通道D類參考設(shè)計(jì)。
放大器功耗與THD+N性能的關(guān)系如圖4所示，效率與功耗的關(guān)系如圖5所示。
圖4：采用IR4302的IRAUDAMP17參考設(shè)計(jì)的THD+N與功耗的關(guān)系。
圖5：采用IR4302的IRAUDAMP17參考設(shè)計(jì)的效率與功耗的關(guān)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(shè)計(jì)能夠幫助設(shè)計(jì)者克服散熱挑戰(zhàn)，在適用于家庭影院和電視、音頻擴(kuò)展、有源音箱、樂器和售后市場(chǎng)汽車系統(tǒng)等產(chǎn)品的、寬額定音頻輸出功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)。
利用這種方法，設(shè)計(jì)者可以保證在合理的時(shí)間窗口內(nèi)完成各個(gè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的音頻質(zhì)量目標(biāo)，同時(shí)還能為產(chǎn)品小型化設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)極具競爭力的價(jià)格。
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