D類(lèi)音頻功率放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ),D類(lèi)功放設(shè)計(jì)

D類(lèi)音頻功率放大器設(shè)計(jì)基礎(chǔ),D類(lèi)功放設(shè)計(jì)

關(guān)鍵字：D類(lèi)功放設(shè)計(jì)

D功放是基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的開(kāi)關(guān)放大器，包括脈沖寬度調(diào)制器(幾百千赫茲開(kāi)關(guān)頻率)，功率橋電路，低通濾波器。本文從構(gòu)成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比、MOSFET的選擇與功率損耗、失真和噪音產(chǎn)生、音頻性能等D類(lèi)音頻功率放大器設(shè)計(jì)有關(guān)的基礎(chǔ)問(wèn)題作分析,并例舉D類(lèi)功率放大器參考設(shè)計(jì)。

1、 D類(lèi)功放基本構(gòu)成

目前有很多種不同種類(lèi)的功放,如：A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)等。但D類(lèi)功放與其不同的是基本是一個(gè)開(kāi)關(guān)功放或者是脈寬調(diào)制功放。為此,主要將對(duì)說(shuō)明這類(lèi)D類(lèi)功放作以說(shuō)明。

在這種D類(lèi)功放中，器件要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，大幅度減少了輸出器件的功耗，效率達(dá)90-95%都是可能的。音頻信號(hào)是用來(lái)調(diào)制PWM載波信號(hào)，其載波信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)輸出器件，用最后的低通濾波器去除高頻PWM載波頻率。

眾所周知, A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)功放均是線形功放,那么D類(lèi)功放與它們究竟有什么不同?我們首先應(yīng)作討論。圖1是D功放原理框圖，在一個(gè)線性功放中信號(hào)總是停留在模擬區(qū)，輸出晶體管(器件)擔(dān)當(dāng)線性調(diào)整器來(lái)調(diào)整輸出電壓。這樣在輸出器件上存在著電壓降，其結(jié)果降低了效率。

而D類(lèi)功放采用了很多種不同的形式，一些是數(shù)字輸入，還有一些是模擬輸入，在這里我們將集中討論一下模擬輸入。

上面圖1顯示的是半橋D類(lèi)功放的基本功能圖，其中給出了每級(jí)的波形。電路運(yùn)用從半橋輸出的反饋來(lái)補(bǔ)償母線電壓的變化。那末D類(lèi)功放是如何工作的呢?D類(lèi)功放的工作原理和PWM的電源是相同的，我們假設(shè)輸入信號(hào)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號(hào)，而這個(gè)音頻信號(hào)是正弦波，典型頻率從20Hz到20kHz范圍。這個(gè)信號(hào)和高頻三角或鋸齒波形相比可以產(chǎn)生PWM信號(hào)，見(jiàn)圖2a中所示。這個(gè)PWM信號(hào)被用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)，產(chǎn)生放大的數(shù)字信號(hào)，最后一個(gè)低通過(guò)濾波器被用在這個(gè)信號(hào)上來(lái)濾掉PWM載波頻率，重新得到正弦波音頻信號(hào)，見(jiàn)圖2b中所示。

2、 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比-看線性和D類(lèi)不同

值此將討論線性功放(A類(lèi)和AB類(lèi))和D類(lèi)數(shù)字功放的不同之處。這兩者之間主要的不同是效率，這也是為什么要發(fā)明D類(lèi)功放的原因。線性功放就其性能而言具有固有的線性，但是即使是AB功放其效率也只有50%，而D類(lèi)功放的效率很高，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中達(dá)90%。

增益-線性功放增益不受母線電壓影響而變化，然而D類(lèi)功放的增益是和母線電壓成比例的。這就意味著D類(lèi)功放的電源抗擾比率是0dB,而線性的PSRR(電源供應(yīng)抑制比率)就很好。在D類(lèi)功放中普遍用反饋來(lái)補(bǔ)償母線電壓變化。

能量流向-在線性功放中，能量是從電源到負(fù)載，雖然在全橋D類(lèi)功放中也是這樣，但半橋D類(lèi)功放還是不同的，因?yàn)槟芰靠梢噪p向流動(dòng)而導(dǎo)致“母線電壓提升”現(xiàn)象產(chǎn)生，這樣會(huì)造成母線電容被從加載來(lái)的能量充電。這個(gè)主要發(fā)生在低頻上，如低于100Hz是這樣。

3、 D類(lèi)功放與Buck降壓轉(zhuǎn)換器類(lèi)拓?fù)洳町?/p>

在D類(lèi)功放和同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓碜魅鐖D3所示。這兩個(gè)電路之間的主要不同有三：其一、對(duì)于同步降壓轉(zhuǎn)換器，其基準(zhǔn)電壓來(lái)自反饋電路的慢慢變化的穩(wěn)定電壓;而D類(lèi)功放的參考信號(hào)是一個(gè)不斷變化的音頻信號(hào)。也就是說(shuō)，同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比是相對(duì)穩(wěn)定的，而D類(lèi)以圍繞50%占空比不斷地改變。其二、在同步降壓轉(zhuǎn)換器中負(fù)載電流的方向總是朝著負(fù)載，即電感電流為單向,見(jiàn)圖3左所示。但是在D類(lèi)功放中電流是朝著兩個(gè)方向的，即電感電流為雙向，見(jiàn)圖3右所示。最后的不同是MOSFET的優(yōu)化方式。同步降壓轉(zhuǎn)換器對(duì)于高低端的晶體管有著不同的優(yōu)化，較長(zhǎng)的周期需要較低的Rds(on)，而較短的周期需要低的Qg(柵極電荷)，即兩個(gè)開(kāi)關(guān)作用不同。但D類(lèi)功放對(duì)兩個(gè)MOSFET有著相同的優(yōu)化方式。高低端器件有相同的Ras(on),即兩個(gè)開(kāi)關(guān)作用相同。

4、 D類(lèi)功放中MOSFET的選擇

在功放中要達(dá)到高性能的關(guān)鍵因素是功率橋電路中的開(kāi)關(guān)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的功率損耗、死區(qū)時(shí)間和電壓、電流瞬時(shí)毛刺等都應(yīng)該盡可能的最小化來(lái)改善功放的性能。因此，在這種功放中開(kāi)關(guān)要做到低的電壓降，快速的開(kāi)關(guān)時(shí)間和低雜散電感。

由于MOSFET開(kāi)關(guān)速度很快，對(duì)于這種功放它是你最好的選擇。它是一個(gè)多數(shù)載流子器件，相對(duì)于IGBT和BJT它的開(kāi)關(guān)時(shí)間比較快，因而在功放中有比較好的效率和線性度。而MOSFET的選擇是基于功放規(guī)格而定。因而在選擇器件以前要知道輸出功率和負(fù)載阻抗(如100W 8Ω)，功率電路拓?fù)?如半橋梁或全橋)，調(diào)制度(如89%—90%)。

5、 MOSFET中的功率損耗

功率開(kāi)關(guān)中的損失在AB線性功放和D類(lèi)功放之間是截然不同的。首先看一下在線性AB功放中的損耗,其損耗可以定義如下：

K是母線電壓與輸出電壓的比率。

對(duì)于線性功放功率器件損耗，可以簡(jiǎn)化成下面的公式：

需要說(shuō)明的是AB功放功率損耗與輸出器件參數(shù)無(wú)關(guān)。

現(xiàn)在一起看一下D類(lèi)功放的損失，在輸出器件中的全部損耗如下：

Ptotal=Psw+Pcond+Pgd

Psw是開(kāi)關(guān)損耗

Pcond是導(dǎo)通損耗，

Pgd是柵極驅(qū)動(dòng)損耗

從上式可看于D類(lèi)功放的輸出損耗是根據(jù)器件的參數(shù)來(lái)定的,即基于Qg(柵極電荷)、Rds(on)(靜態(tài)漏源通態(tài)電阻)、Coss(MOSFET的輸出電容)和tf(MOSFET下降時(shí)間)，所以減少D類(lèi)功放損耗應(yīng)有效選擇器件，圖4是D類(lèi)功放的功率損耗和K的函數(shù)關(guān)系。

6、 半橋和全橋結(jié)構(gòu)拓?fù)涞膶?duì)比

和普通的AB類(lèi)功放相似，D類(lèi)功放可以歸類(lèi)成兩種拓?fù)?，分別是半橋和全橋結(jié)構(gòu)。每種拓?fù)涠几饔欣?。?jiǎn)而言之，半橋簡(jiǎn)單，而全橋在音頻性能上更好一些，全橋拓?fù)湫枰獌蓚€(gè)半橋功放，這樣就需要更多的元器件。盡管如此，橋拓?fù)涞墓逃胁罘州敵鼋Y(jié)構(gòu)可以消除諧波失真和直流偏置，就像在AB功放中一樣。一個(gè)全橋拓?fù)湓试S用更好的PWM調(diào)制方案，比如量化幾乎沒(méi)有錯(cuò)誤的三水平PWM方案。

在半橋拓?fù)渲?，電源面臨從功放返回來(lái)的能量而導(dǎo)致嚴(yán)重的母線電壓波動(dòng)，特別是當(dāng)功放輸出低頻信號(hào)到負(fù)載時(shí)。能量回流到電源是D類(lèi)功放的一個(gè)基本特性。在全橋中的一個(gè)臂傾向于消耗另一個(gè)臂的能量。所以就沒(méi)有可以回流的能量。

7、 不完美失真和噪音產(chǎn)生

一個(gè)理想的D類(lèi)功放沒(méi)有失真，在可聽(tīng)波段沒(méi)有噪音且效率足100%。然而，實(shí)際的D類(lèi)功放并不完美并且會(huì)有失真和噪音。其不完美是由于D類(lèi)功放產(chǎn)生的失真開(kāi)關(guān)波形造成的。原因是：

*從調(diào)制器到開(kāi)關(guān)級(jí)由于分辨率限制和時(shí)間抖動(dòng)而導(dǎo)致的PWM信號(hào)中的非線性。

*加在柵極驅(qū)動(dòng)上的時(shí)間誤差，如死區(qū)時(shí)間，開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間，上升下降時(shí)間。

*開(kāi)關(guān)器件上的不必要特征，比如限定電阻，限定開(kāi)關(guān)速度或體二極管特征。

*雜散參數(shù)導(dǎo)致過(guò)度邊緣的震蕩。

*由于限定的輸出電阻和通過(guò)直流母線的能量的反作用而引起得電源電壓波動(dòng)

*輸出LPF中的非線性。

一般來(lái)講，在柵極信號(hào)中的開(kāi)關(guān)時(shí)間誤差是導(dǎo)致非線性的主要原因。特別是死區(qū)時(shí)間嚴(yán)重影響了D類(lèi)功放的線性。幾十納秒少量的死區(qū)時(shí)間很容易就產(chǎn)生1%以上的THD(總諧波失真),見(jiàn)圖5(c)所示。

8、 死區(qū)時(shí)間(見(jiàn)圖5(a)所示是如何影響非線性的)

其圖5(a)(b)(c)為死區(qū)時(shí)間(或稱(chēng)延時(shí)時(shí)間)對(duì)失真的影響示意圖。D類(lèi)輸出級(jí)中的工作模式可以根據(jù)輸出波形如何跟隨輸入時(shí)間可歸類(lèi)成三個(gè)不同的區(qū)域。在這三個(gè)不同的工作區(qū)，輸出波形跟隨高低端輸入信號(hào)的不同邊緣而變化的。

讓我們檢查一下第一個(gè)操作區(qū)(見(jiàn)圖5c所示High side edges)，在這里電流比電感器波紋電流還大時(shí)，輸出電流就從D類(lèi)功放流向負(fù)載。高端器件在低端器件開(kāi)通之前關(guān)斷，輸出節(jié)點(diǎn)就會(huì)被轉(zhuǎn)到負(fù)母線。這個(gè)過(guò)程與低端器件開(kāi)通時(shí)間無(wú)關(guān)，它是通過(guò)從解調(diào)電感的換向電流自動(dòng)造成的。因此輸出波形與嵌入到低端器件開(kāi)通前的死區(qū)時(shí)間無(wú)關(guān)。因此PWM波形只被嵌入到高端柵極信號(hào)的死區(qū)短路了，而造成所希望的輸入占空比的輕微電壓增益降低。

有個(gè)相似的情況發(fā)生在負(fù)工作區(qū)(見(jiàn)圖5c所示Low side edges)，輸出電流從加載流向D類(lèi)功放。電流高于電感波紋電流。在這種情況下，輸出波形的時(shí)間并沒(méi)有受嵌入高端開(kāi)通沿的死區(qū)時(shí)間的影響，而總是允許低端輸入時(shí)間。因此，PWM波形只被嵌入到低端器件柵極信號(hào)的死區(qū)時(shí)間短路。

在以前描述的兩個(gè)操作模式中存在一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中輸出時(shí)間與死區(qū)時(shí)間是獨(dú)立的。當(dāng)輸出電流小于電感波紋電流時(shí)，輸出時(shí)間跟隨每個(gè)輸入的關(guān)斷沿。因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域，是ZVS(零電壓開(kāi)關(guān))操作狀態(tài)(見(jiàn)圖5c所示Falling edges)，因此在中間區(qū)域就不會(huì)有失真。

當(dāng)輸出電流隨著音頻輸入信號(hào)的不同而變化時(shí)，D類(lèi)功放將改變它的操作區(qū)，這樣每個(gè)都會(huì)有細(xì)小的不同增益。在音頻信號(hào)的周期中的這三個(gè)不同區(qū)域增議會(huì)歪曲輸出波形。

圖5(b)顯示的是死區(qū)時(shí)間如何影響THD性能的。一個(gè)40nS死區(qū)時(shí)間可以產(chǎn)生2%的THD。這個(gè)可以通過(guò)減小死區(qū)時(shí)間到15nS提高到0.2%。這個(gè)標(biāo)志著更好線性與高低端開(kāi)關(guān)器件轉(zhuǎn)換過(guò)程的重要性。

9、 音頻性能測(cè)量

有著AESl7網(wǎng)絡(luò)過(guò)濾器的音頻測(cè)量?jī)x器是很必需的。當(dāng)然，像傳統(tǒng)音頻分析器HP8903B，加上合適的前級(jí)低通濾波器也可以使用。在這里需要重要考慮的是D類(lèi)功放的輸出信號(hào)在其波形上仍然含有大量的開(kāi)關(guān)載波頻率，這樣就造成錯(cuò)誤的讀取。這些分析器也許很難防止D類(lèi)功放的載波泄露。

10、防止直通

盡管如此，一個(gè)狹窄的死區(qū)時(shí)間在大量生產(chǎn)中是很危險(xiǎn)的。因?yàn)橐坏└叩投司w管被同時(shí)打開(kāi)，那么直流母線的電壓就會(huì)被晶體管短路，大量的直通電流將開(kāi)始流動(dòng)，這便會(huì)導(dǎo)致器件損壞。我們應(yīng)該注意到有效的死區(qū)時(shí)間對(duì)每個(gè)功放是不同的，與元件參數(shù)和芯片溫度有關(guān)。對(duì)于一個(gè)D類(lèi)功放的可靠設(shè)計(jì)來(lái)講確保死區(qū)時(shí)間總是正的而決不是負(fù)的來(lái)防止晶體管進(jìn)入直通，這是非常重要的。

11、關(guān)于電源吸收能量

另外一個(gè)在D類(lèi)功放中引起明顯降額的原因是母線充電，當(dāng)半橋拓?fù)湓诮o負(fù)載輸出低頻時(shí)可以看到。要時(shí)刻記住，D類(lèi)功放的增益與母線電壓直接成比例關(guān)系。因此，母線電壓波動(dòng)產(chǎn)生失真，而D類(lèi)功放中的電流流動(dòng)是雙向的，則就存在了從功放返回到電源時(shí)期。大量流回到電源的能量來(lái)自于輸出LPF的電感存儲(chǔ)的能量。通常，電源沒(méi)有辦法吸收從負(fù)載回流過(guò)來(lái)的能量。因此，母線電壓上升，造成電壓波動(dòng)。母線電壓上升并不是發(fā)生在全橋拓?fù)渖希驗(yàn)閺拈_(kāi)關(guān)橋臂同儲(chǔ)到由源的能源熔會(huì)在另一個(gè)橋臂消耗掉。

12、對(duì)EMI(電磁輻射)的考慮

在D功放設(shè)計(jì)中的EMI(電磁輻射)是很麻煩的，像在其他開(kāi)關(guān)應(yīng)用中一樣。EMI的主要來(lái)源之一是來(lái)自從高到低流動(dòng)的MOSFET二極管的反向恢復(fù)電荷，和電流直通很相象。在嵌入到阻止直通電流的死區(qū)過(guò)程中，在輸出LPF中的電感電流打開(kāi)體二極管。在下一個(gè)階段中，當(dāng)另外一端的MOSFET在死區(qū)未打開(kāi)時(shí)，體晶體管保持導(dǎo)通狀態(tài)，除非儲(chǔ)存的大量少數(shù)載波被完全復(fù)合。這個(gè)反向的恢復(fù)電流趨向于形成一個(gè)很尖的形狀，和由于PCB板和封裝雜散電感因起步希望的震蕩。因此，PCB布線設(shè)計(jì)對(duì)減小EMI和系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要的。

13、D類(lèi)功放中MOSFET選擇的其他考慮

*選擇合適的封裝和結(jié)構(gòu)

*功放的THD、EMI和效率，還受FET的體二極管影響?？s短體二極管恢復(fù)時(shí)間(工R的并聯(lián)肖特基二級(jí)管的FET);降低反向恢復(fù)電流和電荷，能改善THD;EMI和效率。

*FET結(jié)殼熱阻要盡可能小，以保證結(jié)溫低于限制。

*保證較好可靠性和低的成本條件下，工作在最大結(jié)溫。用絕緣包封的器件是直接安裝還是用裸底板結(jié)構(gòu)墊絕緣材料，依賴(lài)于它的成本和尺寸。

14、D類(lèi)功放參考設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6所示

*拓?fù)洌喊霕?/p>

*選用IR2011S(柵極驅(qū)動(dòng)IC,最高工作電壓200V,Io+/-為1.0A/1.0A，Vout為10-20V,ton/off為80&60ns,延時(shí)匹配時(shí)間為20ns);IRFB23N15D (MOSFET功率管ID=23A,R DS=90mΩ,Qg=37nC Bv=150V To-220封裝)

*開(kāi)關(guān)頻率：400KHz(可調(diào))

*額定輸出：200W+200W/4歐

*THD:0.03%-1mhz半功率

*頻率響應(yīng)：5Hz-40KHz(-3dB)

*電源：～220v±50V

*尺寸：4.0“×5.5”

15、結(jié)論

如果我們?cè)谶x擇器件時(shí)很謹(jǐn)慎，并且考慮到精細(xì)的設(shè)計(jì)布線，因?yàn)殡s散參數(shù)有很大的影響，那么目前高效D類(lèi)功放可以提供和傳統(tǒng)的AB類(lèi)功放類(lèi)似的性能。