D類放大器如何提高能效以及降低功率要求和縮小尺寸

　　本文將解釋各種類型音頻放大器之間的差異，詳細(xì)介紹 D 類放大器的工作原理，并說明它們?nèi)绾翁岣吣苄б约敖档凸β室蠛涂s小尺寸。

　　對于手持設(shè)備和便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備而言，所采用的音頻電路需要具有低功率、小尺寸和低散熱的重要特性。但是，音頻放大器通常是低效的發(fā)熱器，需要笨重的散熱器。為了縮小尺寸和降低功率要求，D 類或數(shù)字放大器提供了一種不錯(cuò)的解決方案。

　　D 類放大器之于音頻播放的優(yōu)點(diǎn)正如開關(guān)模式電源之于電源的優(yōu)點(diǎn)。借助 D 類放大器，音頻輸入被編碼為脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 信號，可在開關(guān)電平之間驅(qū)動(dòng)功率裝置，并且僅在轉(zhuǎn)換期間耗散功率。

　　這些“數(shù)字”放大器大大提高了音頻放大器的能效，從而降低了散熱，并縮小了物理尺寸。此外，最近的技術(shù)發(fā)展改變了調(diào)制方案，因此輸出端不再需要低通濾波器，從而進(jìn)一步縮小尺寸和降低復(fù)雜性。

　　模擬功率放大器

　　模擬功率放大器的發(fā)展一直側(cè)重于提高保真度，同時(shí)提升放大器能效。根據(jù)工作點(diǎn)或偏置點(diǎn)以及導(dǎo)通時(shí)輸入信號周期的百分比，放大器可分為 A、B、AB 或 C 類放大器（圖 1）。

　　圖 1：A、B、AB 和 C 類模擬放大器的工作偏壓和信號傳導(dǎo)。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　A 類放大器（左上）在輸入信號的整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通。其偏置點(diǎn)位于輸入-輸出工作特性的中點(diǎn)。信號保真度出色，但由于放大器始終處于開啟狀態(tài)，即使沒有輸入信號，能效也通常較低。

　　B 類（左下）放大器旨在通過在截止頻率下偏置放大器來提高能效。放大器僅導(dǎo)通半個(gè)輸入周期。通常，電路配置為推挽拓?fù)?，以放大正輸入和?fù)輸入轉(zhuǎn)換。在沒有信號的情況下，放大器不會(huì)導(dǎo)通，從而提高了能效。由于在輸入極性的轉(zhuǎn)換點(diǎn)處可能發(fā)生交越失真，從而造成保真度損失，因此會(huì)抵消這一優(yōu)勢。

　　若要解決交越失真問題，可以稍微向上移動(dòng)放大器的偏置點(diǎn)。這樣就產(chǎn)生了 AB 類放大器（右上）。此類放大器通常也用于推挽式配置。AB 類放大器是音頻電源應(yīng)用中最常見的類型。

　　C 類放大器（右下）設(shè)計(jì)用于在輸入周期的很小一部分上導(dǎo)通。它的特點(diǎn)是能效高，但保真度差。這些放大器適用于射頻功率設(shè)計(jì)，其中輸出負(fù)載是諧振電路，可恢復(fù)正確的波形。

　　有關(guān)提高這些模擬放大器能效的策略主要側(cè)重于：將放大器的導(dǎo)通相位降至盡可能最短的持續(xù)時(shí)間，如 C 類放大器所示。

　　D 類基礎(chǔ)知識(shí)

　　D 類放大器采用不同的方法，其工作方式與開關(guān)模式電源非常相似（圖 2）。

　　圖 2：D 類放大器將模擬輸入轉(zhuǎn)換為 PWM 波形，以完全打開或關(guān)閉 FET 開關(guān)。輸出低通濾波器可恢復(fù)揚(yáng)聲器的模擬波形。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　D 類放大器將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 波形。PWM 波形為每個(gè)脈沖完全打開或關(guān)閉推挽式 FET 輸出級。當(dāng)其中一個(gè) FET 導(dǎo)通時(shí)，通過它的電流很高，但其上的電壓非常低，因此僅在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的短暫轉(zhuǎn)換期間消耗功率。同樣，當(dāng)該 FET 關(guān)斷時(shí)，兩端的電壓很高，但電流接近零。此時(shí)，除了狀態(tài)轉(zhuǎn)換之外也沒有功率耗散。

　　通過將模擬波形應(yīng)用于比較器的一個(gè)輸入，同時(shí)以所需開關(guān)頻率將三角波形或斜坡波形應(yīng)用于另一個(gè)輸入，即可完成模擬波形到 PWM 波形的轉(zhuǎn)換（圖 3）。上方跡線代表輸入波形，在本例中為 10 千赫茲 （kHz） 正弦波，其應(yīng)用于比較器的一個(gè)輸入。中間跡線是 250 kHz 三角波，其應(yīng)用于比較器的另一個(gè)輸入。比較器輸出是下方跡線中顯示的 PWM 波形。脈沖寬度隨著輸入信號的幅度而變化。

　　圖 3：從模擬輸入創(chuàng)建 PWM 信號需要輸入信號（上方）和三角函數(shù)或斜坡函數(shù)（中間）。然后將兩者應(yīng)用于比較器的輸入以產(chǎn)生 PWM 信號，其中脈沖寬度根據(jù)輸入信號幅度（下方）而變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　FET 推挽功率級的輸出也是 PWM 信號。這適用于簡單的電感器-電容器 （L-C） 低通濾波器，以恢復(fù)放大的模擬波形。三角波的頻率必須遠(yuǎn)高于低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。

　　PWM 的替代方案是脈沖密度調(diào)制 （PDM）。PDM 使用一系列短持續(xù)時(shí)間的矩形脈沖，脈沖密度會(huì)發(fā)生變化，與模擬輸入幅度存在函數(shù)關(guān)系。它使用三角積分調(diào)制生成。

　　D 類放大器的增益受總線電壓的影響。雖然電源抑制比欠佳，但可以通過使用放大器周圍的反饋進(jìn)行校正。此情形如圖 2 的框圖所示，其中反饋來自濾波器輸入。

　　D 類放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是能效高達(dá) 90% 左右。這遠(yuǎn)勝于最接近的模擬競爭對手 AB 類放大器（能效為 50% 至 70%）。

　　高能效可實(shí)現(xiàn)更小的物理尺寸，并且可能無需使用散熱器和冷卻風(fēng)扇。當(dāng)應(yīng)用于便攜式設(shè)備時(shí)，更高的能效意味著更長的電池壽命。能效直接隨輸出功率水平而變化，并隨功率下降而下降。

　　D 類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　D 類放大器通常使用兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中較為簡單的結(jié)構(gòu)是圖 4 所示的半橋電路。

　　圖 4：兩種常用的 D 類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是半橋和全橋配置。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為橋接式負(fù)載 （BTL），其優(yōu)勢是在供電電壓與半橋配置相同時(shí)，可提供更高的輸出功率。半橋的濾波器輸入在正或負(fù)電源軌間擺動(dòng)，而 BTL 電路在正負(fù)軌之間具有負(fù)載，同時(shí)使應(yīng)用到負(fù)載的電壓翻倍，從而使功率輸出翻了四倍。BTL 操作還允許使用單個(gè)單極電源。

　　無濾波 D 類放大器

　　借助稱為 AD 調(diào)制的傳統(tǒng) D 類開關(guān)系統(tǒng)，占空比可調(diào)制矩形波形，使其平均值對應(yīng)于輸入模擬信號電壓。BTL 輸出相互補(bǔ)充。輸出中沒有明顯的共模開關(guān)內(nèi)容。但是，由于 PWM 開關(guān)的平均值緣故，存在共模直流電壓。由于此直流電壓電平應(yīng)用到負(fù)載兩側(cè)，因此不會(huì)增加其兩端的功率耗散。

　　在沒有輸入的情況下，放大器以其標(biāo)稱 PWM 頻率開關(guān)，應(yīng)用于負(fù)載的占空比為 50%。這導(dǎo)致負(fù)載中有明顯的電流流動(dòng)和功率耗散。為了提高能效，需要使用 L-C 濾波器將電流降低到“紋波”。由于減少了負(fù)載耗散和輸出 FET 的 RDS（on） 導(dǎo)通損耗，因此紋波電流越低，能效越高。

　　一種替代調(diào)制方案（通常稱為 BD 或無濾波器調(diào)制）使用開關(guān)系統(tǒng)來調(diào)制輸出信號差異的占空比，以便使其平均值與輸入模擬信號匹配。BTL 輸出在待機(jī)時(shí)彼此同相，而不是互補(bǔ)。這導(dǎo)致負(fù)載兩端的電壓差為零，從而無需濾波器即可最大程度地降低靜態(tài)功耗。BD 調(diào)制在其輸出中具有明顯的共模內(nèi)容。該調(diào)制方案依賴于揚(yáng)聲器的固有電感和人耳的帶通濾波器特性來恢復(fù)音頻信號。

　　D 類放大器集成電路

　　Texas Instruments TPA3116D2DADR 是一款 D 類立體聲放大器，能效 》 90%，支持多路輸出功率配置，其中包括 2 條到 21 伏、4Ω BTL 負(fù)載的 50 瓦通道。該系列中的其他型號支持 2 條到 24 伏、8 Ω 的 30 瓦通道，以及 2 條到 15 伏、8 Ω 的 15 瓦通道。只有最高功率裝置才需要散熱器。

　　這些裝置支持高達(dá) 1.2 MHz 的開關(guān)頻率，可避免 AM，以防止干擾。AD 或 BD 調(diào)制方案可通過單個(gè)輸入控制進(jìn)行選擇。它包括集成自保護(hù)電路，包括過壓、欠壓、過熱、DC 檢測和短路，具有錯(cuò)誤報(bào)告功能。下面使用 TI 的 TINA-TI 仿真工具顯示了典型配置（圖 5）。

　　圖 5：TI TPA3116D2DADR D 類立體聲放大器仿真，其中顯示 BD 調(diào)制的原始 （VM3） 和濾波 （VM1） 輸出波形。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　該電路使用單個(gè) 12 伏電源，輸出功率為 12.5 瓦到 4 Ω。虛擬示波器顯示原始數(shù)字輸出 （VM3） 以及濾波輸出 （VM1）。

　　Texas Instruments TPA3126D2DAD 是 TPA3116D2 系列的性能升級。該器件與舊式 IC 為引腳對引腳兼容，并采用專有混合調(diào)制方案，將待機(jī)電流降低 70%，從而實(shí)現(xiàn)了很大改進(jìn)。該方案降低了低功率水平下的待機(jī)電流，從而延長電池壽命。

　　在設(shè)計(jì) D 類放大器時(shí)，需要多加留意低功耗操作。如前所述，能效與功率水平成正比，而低功率水平通常意味著能效較低。Texas Instruments TPA2001D2PWPR 是一款屬于第三代 D 類設(shè)計(jì)的每通道 1 瓦的立體聲 D 類放大器。它具有更低的電源電流、更低的本底噪聲和更高的能效。由于圍繞 D 類無濾波器調(diào)制方案而設(shè)計(jì)，無需輸出濾波器，從而為設(shè)計(jì)人員節(jié)省部件成本和板空間。它可以使用 5 伏電源提供到 8 Ω 的每通道 1 瓦以上的功率。

　　參考設(shè)計(jì)可用作評估板 TPA2001D2EVM，形成即插即用的 D 類音頻放大器（圖 6）。

　　圖 6：基于 TPA2001D2 D 類放大器的每通道 1 瓦的立體聲放大器。（圖片來源：Texas Instruments）

　　該放大器采用 BTL 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本為自足式，僅需少量外部元器件。

　　總結(jié)

　　對于便攜式和電池供電設(shè)計(jì)，D 類放大器以小封裝提供低損耗和極高的功率效率?，F(xiàn)成的 IC 可以快速方便地應(yīng)用這些放大器，并且最近的技術(shù)進(jìn)步減少了對濾波器的需求，使它們成本更低和更緊湊。