基于IRS2093M的4通道D類音頻放大器解決方案

如圖2所示，自振蕩拓樸融合了前端集成器、PWM比較器、電平切換器、柵極驅(qū)動(dòng)器和輸出低通濾波器(LPF)。盡管這種設(shè)計(jì)能夠以更高的頻率開關(guān)，但由于某些原因，它仍然以400kHz作為最佳開關(guān)頻率。首先，在較低頻率下，MOSFET的效率有所改善，但電感紋波電流上升，同時(shí)輸出PWM開關(guān)載波的漏電也會(huì)增加。其次，在較高頻率下，開關(guān)損耗會(huì)降低效率，但有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)更寬的頻寬。當(dāng)電感紋波電流減少，鐵損耗就會(huì)攀升。

由于在D類音效放大器中，負(fù)載電流的方向隨音頻輸入信號改變，而過流狀況有可能在正電流周期或負(fù)電流周期中發(fā)生。因此，為同時(shí)保護(hù)高側(cè)和低側(cè)MOSFET免受兩個(gè)方向的過電流影響，用可編程過流保護(hù)(OCP)提供雙向保護(hù)，并以輸出MOSFET的RDS(on)作為電流感應(yīng)電阻。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，當(dāng)測量的電流超過預(yù)設(shè)的臨界值，OCP邏輯便會(huì)輸出信號到保護(hù)電路，迫使HO和LO管腳置于低電平，從而保護(hù)MOSFET不受損害。

由于高壓IC的結(jié)構(gòu)限制，高側(cè)和低側(cè)MOSFET的電流感應(yīng)部署并不相同。例如，低側(cè)電流感應(yīng)是基于器件在通態(tài)狀態(tài)下，低側(cè)MOSFET兩端的VDS。為防止瞬時(shí)過沖觸發(fā)OCP，在LO開通后加入一個(gè)消隱間隔，停止450ns過電流檢測。

低側(cè)過流感應(yīng)的臨界電壓由OCSET管腳設(shè)定，范圍由0.5V到5.0V。如果為低側(cè)MOSFET測量的VDS超過了OCSET管腳對應(yīng)COM的電壓，驅(qū)動(dòng)器電路就會(huì)執(zhí)行OCP保護(hù)程序。要設(shè)定過電流的關(guān)斷電平，可以利用以下的算式計(jì)算OCSET管腳的電壓：

為盡可能降低OCSET管腳上輸入偏置電流的影響，我們選擇了電阻值R4和R5，以便流過分壓器的電流達(dá)到0.5mA或更多。同時(shí)，通過一個(gè)電阻分壓器將VREF輸入到OCSET，改善了對電源電壓Vcc波動(dòng)的抗擾性。

同樣地，對于正負(fù)載電流，高側(cè)過流感應(yīng)也會(huì)監(jiān)測負(fù)載條件，此時(shí)根據(jù)經(jīng)CSH和Vs管腳高側(cè)開啟期間在MOSFET兩端測量的VDS進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)負(fù)載電流超過預(yù)設(shè)的關(guān)斷電平，OCP保護(hù)便會(huì)停止開關(guān)運(yùn)作。為防止瞬態(tài)過沖觸發(fā)OCP，可在HO開通后加入一個(gè)消隱間隔，停止450ns過流檢測。

與低側(cè)電流傳感不同，CSH管腳的臨界值內(nèi)部固定在1.2V。但可利用外部電阻分壓器R2和R3來設(shè)定一個(gè)較高的臨界值。不論采用哪種方式，都要用外部阻流二極管D1去阻斷高電壓在高側(cè)斷路的情況下流向CSH管腳。基于跨越D1的0.6V正向電壓降，高側(cè)過流保護(hù)的最低臨界值是0.6V。

簡而言之，CSH管腳的臨界值VCSH可以用以下算式計(jì)算：

式中的ID是漏電流，而VF(D1)則是D1的正向壓降。此外，逆向阻流二極管D1經(jīng)由一個(gè)10kΩ電阻R1進(jìn)行正向偏置。

為防止直通或過沖電流通過兩個(gè)MOSFET，我們將一個(gè)名為死區(qū)時(shí)間的阻流時(shí)段插在高側(cè)關(guān)斷和低側(cè)開通，或低側(cè)關(guān)斷和高側(cè)開通之間。集成式驅(qū)動(dòng)器讓設(shè)計(jì)師可以根據(jù)所選MOSFET的尺寸從一系列預(yù)設(shè)值中選擇適合的死區(qū)間來優(yōu)化性能。事實(shí)上，只需兩個(gè)外部電阻來通過IRS2093的DT管腳設(shè)定死區(qū)時(shí)間。這樣便不需要采用外部的柵極定時(shí)調(diào)節(jié)，同時(shí)也能防止調(diào)節(jié)開關(guān)定時(shí)引入的外來噪聲，這對確保音效性能非常重要。

用戶在決定最佳死區(qū)時(shí)間時(shí)，必須考慮MOSFET的下降時(shí)間。這是因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用來說，由于開關(guān)的下降時(shí)間tf的關(guān)系，真正有效的死區(qū)時(shí)間與數(shù)據(jù)資料所提供的會(huì)有所不同。這意味著，要確定有效的死區(qū)時(shí)間，就要以數(shù)據(jù)資料中的死區(qū)時(shí)間值減去MOSFET柵極電壓的下降時(shí)間。

同樣地，在UVLO保護(hù)方面，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在正常運(yùn)作開始之前監(jiān)測電壓VAA和VCC的狀態(tài)，以確保兩個(gè)電壓都高于它們各自的臨界值。如果VAA或者VCC低于UVLO臨界值，IRS2093的保護(hù)邏輯便會(huì)關(guān)閉LO和HO。結(jié)果，功率MOSFET將停止運(yùn)作直至VAA和VCC超過它們的UVLO臨界值。

此外，為了達(dá)到最理想的音效，4通道音頻電路板設(shè)計(jì)把模擬和開關(guān)部分之間的線路阻抗和相互耦合降到最低，并確保模擬信號與開關(guān)級和電源接地分開。