4通道D類音頻放大器原理及設(shè)計

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)動器和輸出低通濾波器(LPF)。盡管這種設(shè)計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，同時輸出PWM開關(guān)載波的漏電也會增加。其次，在較高頻率下，開關(guān)損耗會降低效率，但有機會實現(xiàn)更寬的頻寬。當(dāng)電感紋波電流減少，鐵損耗就會攀升。

由于在D類音效放大器中，負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電流周期中發(fā)生。因此，為同時保護高側(cè)和低側(cè)MOSFET免受兩個方向的過電流影響，用可編程過流保護(OCP)提供雙向保護，并以輸出MOSFET的RDS(on)作為電流感應(yīng)電阻。在這個設(shè)計中，當(dāng)測量的電流超過預(yù)設(shè)的臨界值，OCP邏輯便會輸出信號到保護電路，迫使HO和LO管腳置于低電平，從而保護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。為防止瞬時過沖觸發(fā)OCP，在LO開通后加入一個消隱間隔，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)動器電路就會執(zhí)行OCP保護程序。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到0.5mA或更多。同時，通過一個電阻分壓器將VREF輸入到OCSET，改善了對電源電壓Vcc波動的抗擾性。

同樣地，對于正負載電流，高側(cè)過流感應(yīng)也會監(jiān)測負載條件，此時根據(jù)經(jīng)CSH和Vs管腳高側(cè)開啟期間在MOSFET兩端測量的VDS進行監(jiān)測。當(dāng)負載電流超過預(yù)設(shè)的關(guān)斷電平，OCP保護便會停止開關(guān)運作。為防止瞬態(tài)過沖觸發(fā)OCP，可在HO開通后加入一個消隱間隔，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10kΩ電阻R1進行正向偏置。

為防止直通或過沖電流通過兩個MOSFET，我們將一個名為死區(qū)時間的阻流時段插在高側(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)動器讓設(shè)計師可以根據(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。事實上，只需兩個外部電阻來通過IRS2093的DT管腳設(shè)定死區(qū)時間。這樣便不需要采用外部的柵極定時調(diào)節(jié)，同時也能防止調(diào)節(jié)開關(guān)定時引入的外來噪聲，這對確保音效性能非常重要。

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

同樣地，在UVLO保護方面，驅(qū)動器會在正常運作開始之前監(jiān)測電壓VAA和VCC的狀態(tài)，以確保兩個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的保護邏輯便會關(guān)閉LO和HO。結(jié)果，功率MOSFET將停止運作直至VAA和VCC超過它們的UVLO臨界值。

此外，為了達到最理想的音效，4通道音頻電路板設(shè)計把模擬和開關(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。