具有成本競爭力的D類放大器音頻方案的差異化設(shè)計(jì)

現(xiàn)成的D類放大器芯片可以解決這些功率設(shè)計(jì)難題，但同時也限制了人們優(yōu)化放大器的其它性能，設(shè)計(jì)工程師將無法通過增強(qiáng)性能來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。

最理想的情況是向音頻設(shè)計(jì)工程師提供實(shí)現(xiàn)功率電子功能的一站式解決方案，從而讓他們集中精力發(fā)揮在反饋路徑和輸出濾波器等領(lǐng)域的專長。

D類放大器設(shè)計(jì)的靈活性

為幫助理解D類放大器解決方案如何提供這些現(xiàn)成的功能性和設(shè)計(jì)靈活性，圖1給出通用D類放大器的功能模塊圖。輸入音頻信號與高頻鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生代表輸入信號的脈寬調(diào)制方波。鋸齒波頻率被設(shè)置成比最高音頻信號的頻率高很多，一般在400kHz左右，以減少失真并簡化輸出濾波器設(shè)計(jì)。

圖1：通用D類放大器的功能模塊圖。

然后，采用經(jīng)過脈寬調(diào)制的音頻信號驅(qū)動放大器輸出級，這個輸出級電路可能是全橋MOSFET陣列，也可能是半橋MOSFET陣列。輸出拓?fù)涞倪x擇取決于包括成本、輸出功率、電源設(shè)計(jì)和信號特性在內(nèi)的系統(tǒng)要求。例如，半橋輸出級要求正、負(fù)電壓軌，而全橋輸出級電路可在單電源下工作，在給定的開關(guān)速率下也能產(chǎn)生更大的輸出功率。

無論是哪種情況，都要針對D類音頻放大器對輸出MOSFET特性進(jìn)行優(yōu)化，以最大化效率，并確保很低的總諧波失真加噪聲(THD+N)和EMI。這要求低的導(dǎo)通電阻，以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品中的高功率密度，同時還要求優(yōu)化的柵極充電和體二極管反向恢復(fù)特性經(jīng)過，以實(shí)現(xiàn)快速、高效的開關(guān)。

放大的音頻信號包含在MOSFET橋輸出的方波信號內(nèi)，因此需要用低通濾波器濾除音頻外的頻率，恢復(fù)出純音頻信號來驅(qū)動揚(yáng)聲器。

開關(guān)級電路設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

對沒有必要熟悉開關(guān)電源電子設(shè)計(jì)原理的設(shè)計(jì)工程師來說，為MOSFET橋產(chǎn)生柵極驅(qū)動信號的D類放大器功率開關(guān)級設(shè)計(jì)是他們面臨的最大挑戰(zhàn)。為獲得優(yōu)異的音頻性能，精確的柵極控制是必要的，這要求脈寬失真小，高端和低端驅(qū)動信號之間匹配良好，以保持良好的線性。

死區(qū)時間的插入是一個特別艱巨的挑戰(zhàn)。為沖擊直通電流損壞輸出MOSFET，必須插入死區(qū)時間，但插入死區(qū)時間會給放大器特性帶來非線性，因此設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常無法在音頻保真和安全余量之間達(dá)到令人滿意的平衡。實(shí)現(xiàn)柵極驅(qū)動器和MOSFET的其它保護(hù)功能(如過溫保護(hù)和過壓保護(hù))還將帶來更復(fù)雜的挑戰(zhàn)，這要求設(shè)計(jì)工程師具有豐富的開關(guān)功率電子設(shè)計(jì)技巧。

在面臨如此多挑戰(zhàn)的情況下使設(shè)計(jì)趨于完美非常困難，因?yàn)槿魏稳毕荻紩斐呻y以分析和校正的災(zāi)難性故障。

為幫助設(shè)計(jì)工程師克服這些困難，快速交付成功的D類放大器產(chǎn)品，國際整流器(IR)公司推出了具有內(nèi)置保護(hù)功能的完整的MOSFET柵極驅(qū)動器IRS2092。該器件還集成了誤差放大器和PWM比較器，允許設(shè)計(jì)工程師快速實(shí)現(xiàn)基于D類放大器的音頻解決方案。

還有其它一些重要的放大器特性與功率開關(guān)級電路設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，包括在啟動和關(guān)閉期間減少咔嗒聲的消除電路。IRS2092也在內(nèi)部集成了這些功能，從而進(jìn)一步減少了設(shè)計(jì)開銷和器件數(shù)量。該方案解決了與D類放大器相關(guān)的功率電子設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并為設(shè)計(jì)工程師運(yùn)用專業(yè)音頻技術(shù)進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能提供了保障。

IRS2092還被設(shè)計(jì)成具有很好的靈活性，以便設(shè)計(jì)工程師可以決定輸出濾波器特性，并可以在許多位置中選取反饋點(diǎn)，以在滿足成本和器件數(shù)量的條件下獲得最佳的音頻性能和放大器穩(wěn)定性。

D類放大器的差異化設(shè)計(jì)

1. 定制反饋環(huán)路

反饋環(huán)路設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)D類放大器差異化的一個重要特性。某些情況下，開環(huán)配置可以提供滿意的性能，但放大器中固有的時序誤差將增加失真和噪聲?？梢岳秘?fù)反饋很好地解決這個問題。最簡單的方法是將一部分開關(guān)信號反饋到誤差放大器的輸入端，并用無源RC低通濾波器進(jìn)行預(yù)處理。市場上許多D類放大器芯片就是采用這種反饋方式。但是，設(shè)計(jì)工程師可能希望進(jìn)一步優(yōu)化放大器的失真性能，從更靠近輸出端的地方取得反饋信號來減少負(fù)載依賴性。例如，反饋點(diǎn)可能在音頻濾波器輸出的最遠(yuǎn)點(diǎn)，即正好在揚(yáng)聲器的前面。一些設(shè)計(jì)工程師還可能通過將揚(yáng)聲器電子器件包含在反饋環(huán)路內(nèi)來進(jìn)一步改善性能，因?yàn)檫@些器件的影響可以被認(rèn)為是放大器輸出濾波器的一部分。還有些設(shè)計(jì)可能聯(lián)合使用采自開關(guān)節(jié)點(diǎn)和濾波器輸出的兩種反饋信號。

IRS2092柵極驅(qū)動器芯片允許設(shè)計(jì)工程師自由地選取被認(rèn)為是最佳的反饋點(diǎn)。通過明智的反饋實(shí)現(xiàn)以及對穩(wěn)定性的補(bǔ)償，設(shè)計(jì)工程師可以取得高保真音質(zhì)級別的諧波失真和噪聲(THD+N)性能。

2. 優(yōu)化輸出濾波器性能

輸出濾波器對總效率、可靠性和音頻性能有很大影響。簡單的LC濾波器很常見，其截止頻率剛好在音頻頻段之上，并具有每十倍頻40dB的載波抑制性能。在許多應(yīng)用中，只要小心控制揚(yáng)聲器的阻抗，一個簡單的濾波器就可以提供足夠好的性能。但另一方面，經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)工程師可能希望使用更復(fù)雜的濾波器(具有更高階響應(yīng)特性、更好的陷波特性或特殊的載波抑制方法)，以進(jìn)一步改善失真和噪聲性能。

由于調(diào)節(jié)開關(guān)頻率等參數(shù)可以自由調(diào)節(jié)，IRS2092允許工程師優(yōu)化輸出濾波器設(shè)計(jì)，并選取可提供理想特性的器件，如高線性和低直流電阻的電感。開關(guān)頻率可編程的一個重要好處是，它允許管理帶寬和開關(guān)頻率之間的平衡。例如，如果使用帶寬為200Hz的低音音箱放大器，可設(shè)置成更低的開關(guān)頻率的能力將大有裨益。

3. 最大化阻尼系數(shù)

由于反饋和濾波器電路的設(shè)計(jì)會影響放大器的輸出阻抗，所以設(shè)計(jì)工程師還需要控制好這些電路的設(shè)計(jì)以獲得足夠高的阻尼系數(shù)。阻尼系數(shù)是重要的一個品質(zhì)因數(shù)，特別對負(fù)載阻抗較低的汽車音響系統(tǒng)而言。設(shè)計(jì)工程師必須確保嚴(yán)格控制揚(yáng)聲器的工作，以便在車箱環(huán)境中達(dá)到可接受的性能。仔細(xì)控制放大器輸出和反饋設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)大于100的阻尼系數(shù)，這對大多數(shù)音頻放大器來說通常是足夠的。

4. 可擴(kuò)展性

使用如IRS2092這樣具有4個基本D類放大器構(gòu)建模塊的集成芯片解決方案還有另外一個好處，即具有能滿足更高輸出功率或額外通道要求的可擴(kuò)展性。通過定義合適等級的外部MOSFET、重新優(yōu)化死區(qū)時間和過載保護(hù)門限，它能快速擴(kuò)展放大器。通過保留相同的基本設(shè)計(jì)甚至相同的PCB設(shè)計(jì)，這種快速擴(kuò)展能力可以縮短產(chǎn)品上市時間，并隨著終端產(chǎn)品的發(fā)展而降低設(shè)計(jì)成本。此外，通過驅(qū)動器-MOSFET組合的多次反復(fù)設(shè)計(jì)，就能快速實(shí)現(xiàn)多通道系統(tǒng)。例如，可以快速、方便地配置高性價比和緊湊的6.1或7.2通道環(huán)繞聲設(shè)備。

D類放大器參考設(shè)計(jì)

D類音頻放大器芯片不僅能解決設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、加速項(xiàng)目完成進(jìn)度，還能有效地減少器件數(shù)量。為幫助設(shè)計(jì)工程師進(jìn)一步發(fā)揮這些優(yōu)勢，國際整流器公司推出了將IRS2092柵極驅(qū)動器芯片和兩個IRF6645 DirectFET MOSFET配置成半橋結(jié)構(gòu)的參考設(shè)計(jì)(圖2)。

圖2：基于A/B類放大器的設(shè)計(jì)板(左)和IR公司D類放大器參考設(shè)計(jì)(右)的對比。

借助這個參考設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工程師可以在61cm²的PCB面積上構(gòu)建每個通道120W的開關(guān)放大器，此面積小于120W A/B類放大器參考設(shè)計(jì)面積的16%。由于D類放大器正常工作時無需散熱器，所以總體積的減小也很可觀。這個完整的D類放大器解決方案只占109cm³的空間，小于A/B類放大器體積的6%。

另外，這個參考設(shè)計(jì)在4Ω負(fù)載上輸出60W的功率的同時，可以達(dá)到0.005%的低THD+N性能，殘留噪聲僅170μV，1kHz處的阻尼系數(shù)為170。利用這個功能性基礎(chǔ)平臺，設(shè)計(jì)工程師自由地定制反饋和輸出濾波設(shè)計(jì)，以便為特定應(yīng)用提供最佳的音頻性能和總體成本。