工程師參考手冊（四）：D類功放設計須知

四、新型綠色能效D類音頻放大器設計應用

　　引 言

　　多媒體時代，傳統(tǒng)A類、B類、AB類線性模擬音頻放大器因效率低，能耗大，已不能滿足電子視聽類LCD／PDP／OLED／LCOS／PDA等綠色節(jié)能、高效、體積小等新發(fā)展趨勢，而非線性音頻放大器件Class-D類功放因具備節(jié)能、高效率、高輸出功率、低溫升效應、占用空間小等優(yōu)點，將被納入越來越多新產(chǎn)品設計中。D類放大器架構上分半橋非對稱型和全橋?qū)ΨQ型，而全橋類相對半橋型具有高達4倍的輸出功率，更為高效；從信號適應上分模擬型和I2S全數(shù)字型，因全數(shù)字型尚處發(fā)展階段，成本高，而模擬型因成本優(yōu)勢將在未來幾年處于應用主流。本文重點剖析了全橋模擬型D類功放設計要素，實現(xiàn)了一種基于NXP公司新型綠色能效模擬D類功放TFA9810T電路設計，并重點對綠色節(jié)能高效、高輸出功率、低溫升效應、PCB布局、EMI抑制幾個方面進行總結分析。

　　1 D類功率放大器原理特點

　　1．1 D類放大器系統(tǒng)結構

　　D類放大器由積分移相、PWM調(diào)制模塊、G柵級驅(qū)動、開關MOSFET電路、Logic輔助、輸出濾波、負反饋、保護電路等部分組成。流程上首先將模擬輸入信號調(diào)制成PWM方波信號，經(jīng)過調(diào)制的PWM信號通過驅(qū)動電路驅(qū)動功率輸出級，然后通過低通濾波濾除高頻載波信號，原始信號被恢復，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，如圖1所示。

　　1．2 調(diào)制級（PWM-Modulation）

　　調(diào)制級就是A／D轉(zhuǎn)換，對輸入模擬音頻信號采樣，形成高低電平形式數(shù)字PWM信號。圖2中，比較器同相輸入端接音頻信號源，反向端接功放內(nèi)部時鐘產(chǎn)生的三角波信號。在音頻輸入端信號電平高于三角波信號時，比較器輸出高電平VH，反之，輸出低電平VL，并將輸入正弦波信號轉(zhuǎn)換為寬度隨正弦波幅度變化的PWM波。這是D類功放核心之一，必須要求三角波線性度好，振蕩頻率穩(wěn)定，比較器精度高，速度快，產(chǎn)生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入調(diào)制措施參見文獻［2］。

　　1．3 全橋輸出級

　　輸出級是開關型放大器，輸出擺幅為VCC，電路結構如圖3所示。將MOSFET等效為理想開關，關斷時，導通電流為零，無功率消耗；導通時，兩端電壓依然趨近為零，雖有電流存在，但功耗仍趨近零；整個工作周期，MOSFET基本無功率消耗，所以理論上D類功放的轉(zhuǎn)換效率可接近100％，但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導損耗，整體轉(zhuǎn)換效率一般可達90％左右。因為轉(zhuǎn)換效率很高，所以芯片本身消耗的熱能小，溫升也才很小，完全可以不考慮散熱不良，因此被稱為綠色能效D類功放。

　　對全橋，進一步減小導通損耗，要使MOSFET漏源的導通電阻RON盡量小。選取低開關頻率和柵源電容小的MOSFET，加強前置驅(qū)動器的驅(qū)動能力。

　　1．4 LPF低通濾波級

　　LPF濾波器可消除PWM信號中電磁干擾和開關信號，提高效率，降低諧波失真，直接影響放大器帶寬和THD，必須設置合適截止頻率和濾波器滾降系數(shù)，以保證音頻質(zhì)量。對于視聽產(chǎn)品，20 Hz～20 kHz為可聽聲；低于20 Hz為次聲；高于20 kHz為超聲。應用中一般設置截止頻率為30 kHz，這個頻率越低，信號帶寬越窄，但過低會損傷信號質(zhì)量，過高會有噪聲混入。常用LPF濾波器一般有巴特沃思濾波器、切比雪夫濾波器、考爾濾波器三種。