D類功放IC的橋接方法
發(fā)布日期:2022-10-29
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與傳統(tǒng)的A類、B類或AB類線性放大器相比，D類音頻放大器有許多優(yōu)點(diǎn)。線性放大器可以在非常低的信號(hào)水平下有更高的效率，這取決于它們是如何偏置的，但隨著輸出信號(hào)水平的增加，這種優(yōu)勢消失了，D類放大器表現(xiàn)得更好。根據(jù)設(shè)計(jì)，D類放大器可以有更高的空閑功耗，由于開關(guān)損耗在其輸出器件。由于輸出電感的鐵芯損耗和輸出濾波電容的ESR損耗，它們還會(huì)在輸出LC濾波器中遭受寄生損耗。但即使有這些限制，在大多數(shù)應(yīng)用和典型的音樂占空比中，D類放大器在功耗方面的平均效率大約是它的兩倍。從組件計(jì)數(shù)的角度來看，它們不那么復(fù)雜;需要更少的散熱和更小的電源。他們也包裝更緊湊，可以更少的成本，因?yàn)橛锌赡芟鳒p一半的系統(tǒng)的熱容量。
本文將著重講解，涵蓋在橋接模式下使用Class D解決方案。
Class D類解決方案的標(biāo)準(zhǔn)配置是半橋接輸出級。橋式或全橋操作利用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的半橋式通道形成一個(gè)浮動(dòng)橋式系載輸出。在橋接模式下工作時(shí)，負(fù)載一端連接到半橋式同相輸出端，另一端連接到非電相半橋放大器。以這種方式，傳入信號(hào)調(diào)制到負(fù)載一端的正軌和另一端的負(fù)軌與所述信號(hào)源的極性交替。在許多應(yīng)用中，使用D類全橋配置是有利的。完全橋接操作允許充分利用可用的總電源電壓。對于相同的總電源電壓，橋接負(fù)載或BTL連接產(chǎn)生兩倍的電壓擺幅到負(fù)載。它還提供了更好的電源噪聲抑制或PSRR，電源抑制比。最后，它更容易地允許終端用戶將放大器連接到單極電源，而不需要輸出直流阻塞電容，并可能為設(shè)計(jì)者節(jié)省成本和雙極電源的復(fù)雜性，這是半橋操作所需要的。在許多設(shè)計(jì)中，當(dāng)電源電壓受到限制時(shí)，使用BTL放大器可以最大限度地提高提供給負(fù)載的可用功率。
在高壓直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或超高功率設(shè)計(jì)的電壓譜的另一端，具有兩倍的輸出電壓擺幅就可以避免對高壓MOSFET、柵極驅(qū)動(dòng)器和或升壓匹配變壓器的需要。這可能是一個(gè)相當(dāng)可觀的音頻性能和效率優(yōu)勢，因?yàn)橐纛l開關(guān)器件的質(zhì)量隨擊穿電壓下降。另外，非常高的電壓開關(guān)放大器可能需要輸出電感，需要相應(yīng)的高電壓秒產(chǎn)品和低滯后損耗。
所有這些都說明了，這種電路拓?fù)溆幸恍┤秉c(diǎn)，因?yàn)樾枰獌杀兜陌雽?dǎo)體元件，這增加了這種方法的成本和復(fù)雜性。其他缺點(diǎn)包括整個(gè)輸出功率范圍內(nèi)的效率略有損失，因?yàn)殚_關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗都增加了一倍。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還需要兩個(gè)輸出電感，這帶來了額外的成本和PCB占用空間的代價(jià)。在本文中，我們將詳細(xì)討論D類音頻放大器半橋和全橋操作的相對優(yōu)勢和劣勢。
全橋操作的最大優(yōu)點(diǎn)之一是可以充分利用電源電壓。輸出電壓擺幅大約是半橋模式的兩倍。如果你對相同的負(fù)載阻抗做簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，你會(huì)得到四倍的功率，因?yàn)樗c輸出電壓的平方成比例。我們將這種操作模式稱為BTL或橋系負(fù)載，以避免混淆本文檔的其余部分。BTL運(yùn)行的另一個(gè)好處是大大提高了電源截留率。這意味著噪音和電壓紋波存在在電力軌道被拒絕在一個(gè)更高的速率。許多BTL放大器在負(fù)反饋應(yīng)用到整個(gè)電路之前，PSRR的開環(huán)接近60db。隨著負(fù)反饋環(huán)路的關(guān)閉，將有附加的改進(jìn)，這取決于在設(shè)計(jì)中存在的環(huán)路增益。例如，在1 KHz加上額外的40 dB環(huán)路增益，PSRR將在100 dB左右。
半橋拓?fù)渲谐Ｒ姷牧硪环N現(xiàn)象稱為“總線泵送”。當(dāng)負(fù)載和LC輸出濾波器的輸出能量返回到放大器電源軌道時(shí)，與無信號(hào)相比，母線泵浦發(fā)生。事實(shí)上，在幾乎沒有存儲(chǔ)電容或非常低的頻率負(fù)載能量被返回到電源的情況下，電壓可能在正極和負(fù)極上都增加超過10伏特。這種影響可以通過在軌道上使用非常大的濾波電容來最小化，但它不會(huì)消除這種影響，特別是在較低的音頻頻率。BTL模式消除了這個(gè)問題，因?yàn)檩敵黾壍囊话胧窃措娏鳎硪话胧窍鲁岭娏?，所以這種情況有效地得到了取消。
BTL操作的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠在單極電源上操作。這消除了高壓母線上一半的大型儲(chǔ)能電容，這可以在成本、空間和電路復(fù)雜性方面節(jié)省大量資金。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)有源輸出之間的輸出直流偏置接近于零。當(dāng)使用這種電源配置操作半橋拓?fù)鋾r(shí)，無需添加一個(gè)大的輸出耦合電容來阻止任何直流流經(jīng)負(fù)載。
BTL拓?fù)涞囊粋€(gè)很大的缺點(diǎn)是它的實(shí)現(xiàn)需要兩倍數(shù)量的活動(dòng)組件。這意味著至少兩次門驅(qū)動(dòng)和輸出設(shè)備的數(shù)量必須使用，當(dāng)然這就增加了成本，空間，和電路的復(fù)雜性，因此我們有可能在供電部分節(jié)省的設(shè)計(jì)成本會(huì)增加在輸出級和輸出LC濾波器組件這里，正所謂“有借有還”。
取決于放大器的功率級別，這可能意味著增加整個(gè)系統(tǒng)的成本。另一個(gè)缺點(diǎn)是BTL解決方案的效率略有降低，因?yàn)橛性摧敵鲈臄?shù)量增加一倍，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗就會(huì)增加一倍。無源輸出濾波器通常在BTL情況下使用兩個(gè)電感，因此鐵芯損耗和I²R銅損耗也將增加一倍。然而，對于與半橋拓?fù)湓O(shè)計(jì)相同的輸出功率水平，每個(gè)電感之間的電壓擺幅是一半，因此每個(gè)電感的鐵芯損耗可能不到一半。
當(dāng)我們將D類放大器從傳統(tǒng)的半橋轉(zhuǎn)換為BTL操作時(shí)，需要注意一些設(shè)計(jì)上的考慮。因?yàn)檩敵黾壍呢?fù)載，是可以通過兩端以兩倍的電壓擺動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對應(yīng)每個(gè)放大器的反射負(fù)載阻抗，都只有其原來一半大小。為了在相同的電源總線電壓下恢復(fù)到原來的半橋工作功率水平，負(fù)載阻抗必須增加四倍。在負(fù)載阻抗不變的情況下，電源電壓需要減半以保持相同的功率輸出額定值。最后，需要相應(yīng)地調(diào)整無源輸出濾波器的值，以保持相同的負(fù)載輸出頻率響應(yīng)。最后，基于輸出再空閑時(shí)的相位，有兩種不同的BTL操作模式，類AD（Class AD）或類BD（Class BD）。簡而言之，AD在空閑時(shí)，輸出PWM異向波形，而BD的輸出結(jié)果正相反。這兩種不同的調(diào)制方未來有機(jī)會(huì)討論。在下一節(jié)中，我們將從半橋合成開始討論LC輸出濾波器和BTL設(shè)計(jì)中的任何特殊考慮。為了完整性，包含了類AD和BD。
用于單端設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)二階低通濾波器：
圖1使用標(biāo)準(zhǔn)值Q=0.707 RL= 4歐姆Fc = 40 KHz的單端LC輸出濾波器
EQ1代表半橋D類單端二階低通濾波器的傳遞函數(shù)：
H（s） = Vo / Vi = （1/sL） / （1/sL + sC + （1/R）： （EQ1）， C = Q / w0RL ， L = RL / Qw0 and Q = RL（C/L）1/2
其中w0 =濾波器的截止頻率，以弧度/秒為單位= 1/ （LC）1/2
我們定義W為（w0）²;將W和Q代入傳遞函數(shù)得到EQ2：
H（s） = W / （s2 + s （ω0 / Q） + （ω0）2 ） = （1/LC） / （s2 + s / （RLC） + （1/LC））：（EQ2）
在截止頻率，ω = ω0， （ω0 = 2πFC， FC =濾波器截止頻率赫茲），輸出濾波器將在Q = 0.707處被嚴(yán)重阻尼，然后被認(rèn)為是“最大平滑”。
當(dāng)Q值為》 0.707時(shí)，輸出濾波器將出現(xiàn)峰值，不同Q值下輸出濾波器的典型頻率響應(yīng)見下圖。
圖2 頻率響應(yīng)VSLC輸出濾波器的Q值
由于典型的IR D類放大器設(shè)計(jì)沒有在反饋回路中包含輸出LC濾波器，因此隨著負(fù)載阻抗的變化，電路的整體頻率響應(yīng)將發(fā)生顯著變化。輸出濾波器通常旨高頻率下產(chǎn)生最小峰值，但在某些情況中，20KHz下少量的峰值的1或2 dB是可以接受的，尤其是大多數(shù)人聽不到15 KHz，并且，更高的Q輸出濾波器可能會(huì)導(dǎo)致再開關(guān)頻率下，更多的輸出電壓紋波衰減。通常，在放大器的平均開關(guān)頻率上，做到至少40分貝或更多的衰減是可行的。IR D類電路是自振蕩的，因此它的開關(guān)頻率可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化。大多數(shù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)開關(guān)頻率為400khz左右，因此為了使用二階濾波器實(shí)現(xiàn)40db （100X）的開關(guān)紋波衰減，截止頻率應(yīng)該調(diào)低十倍左右，典型的是40khz。理想的輸出濾波器應(yīng)該是最大限度的平坦，并表現(xiàn)出Butterworth“臨界阻尼”的頻率特性。如果相位線性是重要的，那么可以使用最小相位濾波器，如Bessel濾波器，但它會(huì)給高頻響應(yīng)帶來一個(gè)下垂的頻率響應(yīng)，這取決于濾波器截止頻率的位置。
輸出電感的選擇是關(guān)鍵的，它不僅影響放大器的總諧波失真，而且影響放大器的效率。如前所述，輸出濾波器不包含在反饋回路中，因此電感中的任何一種非線性都會(huì)直接影響放大器的性能。它的核心損耗對設(shè)計(jì)的效率也是至關(guān)重要的，因?yàn)榧词乖诳臻e的Class AD設(shè)計(jì)中，也會(huì)有一個(gè)占空比為50%的高電壓和高頻率方波穿過它。如果沒有仔細(xì)選擇芯材，輸出電感中將會(huì)散發(fā)大量的熱量，這將導(dǎo)致濾波元件的工作溫度過高和高空閑功率損耗。在某些情況下，這種選擇是不明智的，這些部分實(shí)際上可能會(huì)很燙。在許多情況下，最佳的磁芯材料是間隙鐵氧體，因?yàn)樗哂休^低的磁芯損耗和出色的線性度。
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