在多通道設(shè)計(jì)中，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)每一條通道都會(huì)消耗更多的功率,、更多的元件,，并占用更大的電路板空間。結(jié)果導(dǎo)致溫度相關(guān)設(shè)計(jì)復(fù)雜化,，并且在更高的成本下聲音質(zhì)量和可靠性卻較低,。

因此，為盡可能減少高性能多通道音頻系統(tǒng)的功耗和簡(jiǎn)化相關(guān)的溫度管理,，設(shè)計(jì)工程師一直希望借助能在寬輸出功率水平范圍下提供超過90%效率的高效D 類音頻放大器,。相比之下，適用于這個(gè)市場(chǎng)的傳統(tǒng)AB類放大器其效率只有50%左右,，且效率會(huì)隨著輸出功率水平下降而快速下滑,。同樣地，工程師還不斷研究集成式IC的效能,，以減少元件數(shù)目和電路板面積,。
 
不論是汽車娛樂還是家庭影院系統(tǒng)市場(chǎng)，消費(fèi)者始終要求有更多的通道和揚(yáng)聲器,，每個(gè)通道還要能夠處理更高的音頻功率水平,。除了更高的瓦特?cái)?shù),，音響發(fā)燒友還不斷要求改善聲音質(zhì)量，減少失真和噪聲,，以及通道之間出色的隔離效果,。
 
4通道驅(qū)動(dòng)器

國(guó)際整流器公司(IR)根據(jù)這種需求，把先進(jìn)DirectFET功率MOSFET與創(chuàng)新的集成音頻驅(qū)動(dòng)器結(jié)合,，開發(fā)出一種4通道D類音頻放大器設(shè) 計(jì),，其性能可與單通道解決方案相媲美。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo),，電路采用了集成式音頻驅(qū)動(dòng)器IRS2093M,，該器件將4個(gè)高壓功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器的通道整合到同一塊芯片上。此外,，這款200V的器件包含專為半橋拓樸中的D類音頻放大器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的片上誤差放大器,、模擬PWM調(diào)制器、可編程預(yù)置死區(qū)時(shí)間以及可 靠的保護(hù)功能(圖1) ,。除了可以防止功率MOSFET出現(xiàn)直通電流和電流沖擊,，可編程預(yù)置死區(qū)時(shí)間還實(shí)現(xiàn)了功率和通道數(shù)量可擴(kuò)展的功率設(shè)計(jì)。這些保護(hù)功能包括帶有自動(dòng)復(fù)位控制功能的過流保護(hù)(OCP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護(hù),。
 


圖1：這款200V器件除了把高壓功率MOSFETS驅(qū)動(dòng)器的4條通道集成到同一芯片上,，還配備了片上誤差放大器、模擬PWM調(diào)制器,、可編程預(yù)置死區(qū)時(shí)間和先進(jìn)保護(hù)功能,。
 
為了在不同通道之間實(shí)現(xiàn)一流的隔離，音頻驅(qū)動(dòng)器部署了已獲肯定的高壓結(jié)隔離技術(shù)和采用Gen 5 HVIC工藝的浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器,。這樣就在裸片上實(shí)現(xiàn)了良好的內(nèi)部信號(hào)隔離,，這使得電路可以同時(shí)處理更多通道的信號(hào)，從而把每個(gè)通道的基本噪音保持在非常低的水平,，同時(shí)盡可能減小了通道之間的串?dāng)_,。
 
接著，我們建構(gòu)了如圖2所示的4通道半橋D類音頻放大器電路,，它結(jié)合了集成式D類音頻控制器和柵極驅(qū)動(dòng)器IRS2093M,，并搭配8個(gè) IRF6665 DirectFET功率MOSFET以及幾個(gè)無(wú)源器件,。該多通道音頻放大器的每個(gè)通道都被設(shè)計(jì)成能夠提供120W的輸出功率,。為便于使用，該電路包含了所 有必需的內(nèi)部管理電源,。
 


圖2：這款4通道半橋D類音頻放大器設(shè)計(jì)采用了集成式D類音頻控制器和IRS2093M柵極驅(qū)動(dòng)器,，以及8顆IRF6665 DirectFET MOSFET和一些無(wú)源器件。
 
為達(dá)到最佳整體性能,，IRF6665功率MOSFET特別針對(duì)D類放大器設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化,。除了提供低通態(tài)電阻,，還對(duì)功率MOSFET做了改進(jìn)以獲得最小柵極電荷、最小體二極管反向恢復(fù)和最小內(nèi)部柵極電阻,。此外,，與傳統(tǒng)的引線鍵合封裝相比，DirectFET封裝可提供較低的寄生電感和電阻,。簡(jiǎn)單來(lái)說,，經(jīng)優(yōu)化的IRF6665 MOSFET能夠提供高效率和低總諧波失真(THD)以及電磁干擾(EMI)。
 
特性和功能

為了以更小的空間提供最高性能和可靠的設(shè)計(jì),，這個(gè)4通道D類音效放大器解決方案采用自振蕩PWM調(diào)制,。由于這種拓樸相當(dāng)于一個(gè)模擬二階sigma- delta調(diào)制，且D類開關(guān)級(jí)在環(huán)內(nèi),，因此在可聽頻率范圍內(nèi)的誤差根據(jù)其工作特性被轉(zhuǎn)移到不可聽頻率之上,，從而降低了噪聲。同時(shí),，sigma-delta 調(diào)制允許設(shè)計(jì)師執(zhí)行足夠的誤差校正來(lái)進(jìn)一步降低噪聲和失真,。

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(hào)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(cè)量的電流超過預(yù)設(shè)的臨界值,，OCP邏輯便會(huì)輸出信號(hào)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(cè),。
 
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(cè)量的VDS超過了OCSET管腳對(duì)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(duì)電源電壓Vcc波動(dòng)的抗擾性。
 
同樣地,，對(duì)于正負(fù)載電流,，高側(cè)過流感應(yīng)也會(huì)監(jiān)測(cè)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(cè)量的VDS進(jìn)行監(jiān)測(cè),。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(cè)。
 
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(lái)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(jiǎn)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(lái)優(yōu)化性能,。事實(shí)上，只需兩個(gè)外部電阻來(lái)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(lái)噪聲，這對(duì)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?duì)實(shí)際應(yīng)用來(lái)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(cè)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(hào)與開關(guān)級(jí)和電源接地分開。

測(cè)量的性能

我們?cè)谡倚盘?hào)頻率為1kHz、1Vrms及4Ω負(fù)載阻抗的情況下,，測(cè)量每個(gè)通道的效率,、總諧波失真加噪聲(THD+N)和EMI性能。另外,，我們 為由圖2展示的4通道D類音效放大器設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)量,，顯示其一流的隔離和串音性能。相關(guān)電路版的電源電壓有±35V,，自振頻率則為400kHz,。
 
如圖3所示，在4Ω負(fù)載,、功率輸出為低于50W至120W的情況下,，每通道的效率約為90%。對(duì)高通道效率作出貢獻(xiàn)的主要因素包括產(chǎn)生低通態(tài)和開關(guān) 耗損的DirectFET MOSFET IRF6665,。同時(shí),，因?yàn)榧墒津?qū)動(dòng)器提供了安全死區(qū)時(shí)間，所以設(shè)計(jì)沒有出現(xiàn)交叉導(dǎo)通,。
 

圖3：在4Ω負(fù)載下,，功率輸出從低于50W輸出提高到120W，測(cè)量的效率曲線顯示每條通道的效率約為90%,。
 
如此高的功效使這款4通道設(shè)計(jì)能夠處理八分之一的持續(xù)額定功率,，也就是一般安全所需的正常工作環(huán)境，而無(wú)需使用任何額外的散熱片或強(qiáng)制空氣冷卻,。
 
同樣地,，針對(duì)失真進(jìn)行的測(cè)試顯示，在廣泛的輸出功率范圍內(nèi),，每條通道的THD+N性能都是一樣的,。如圖4所示，當(dāng)每條通道低于50W時(shí)THD+N便會(huì)小于0.01%,，并會(huì)隨著輸出功率上升而增加,。例如，當(dāng)每條通道的輸出為100W左右,，失真程度便會(huì)上升到0.02%,。這種性能在整個(gè)20Hz到 20kHz的音頻范圍內(nèi)都會(huì)保持一致，即使輸出功率由每通道10W增加到50W(4Ω負(fù)載下)也不會(huì)改變,。如圖5所示,，每個(gè)通道的基噪在整個(gè)音頻范圍內(nèi)都維持在-80dBv以下。噪聲是在無(wú)信號(hào)輸入和400kHz的自振頻率下測(cè)量,。
 

圖4：當(dāng)每個(gè)通道低于50W時(shí),，總諧波失真加噪聲(THD+N)便會(huì)少于0.01%，并會(huì)隨著輸出功率上升而開始增加。
 
為通道隔離進(jìn)行的類似測(cè)試表明,，在每條通道的輸出功率為60W的情況下,，通道1和3，以及通道1和4之間的串音在整個(gè)音頻范圍內(nèi)都優(yōu)于-70dB,。
 
同時(shí),，該設(shè)計(jì)在1kHz信號(hào)頻率下提供-68dB的良好電源抑制比(PSRR),。高PSRR源自驅(qū)動(dòng)器的自振頻率,。從而使得4通道D類放大器即使使用非穩(wěn)壓電源，也能夠提供卓越的性能,。
 

圖5：當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí),，每條通道的基噪在整個(gè)音頻范圍內(nèi)都保持低于-80dBv。
 
本文小結(jié)

采用IRS2093M集成式驅(qū)動(dòng)器的4通道D類音頻放大器解決方案,，其效率,、THD+N和EMI性能都可與單通道設(shè)計(jì)匹敵。此外,，在整個(gè)可聽范圍 內(nèi),，基噪維持在-80dBv以下。同時(shí),，通道之間擁有出色的隔離來(lái)保持互調(diào)失真(IMD)處于最低水平,，以提供理想的音效性能。隨著高效率免除了對(duì)散熱片 的需要,，集成式音頻驅(qū)動(dòng)器成功以減少一半的占位面積實(shí)現(xiàn)了4通道D類音頻放大器解決方案,。