D類放大器逐漸成為高端家用A/V設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備的首選拓?fù)?，能夠幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)高性能與小尺寸組合，而這正是全世界用戶所期望和需要的?，F(xiàn)在,，高集成度D類放大器件，包括單個(gè)封裝內(nèi)的整個(gè)放大器模塊 - 的出現(xiàn)讓企業(yè)能夠更快地將價(jià)格極具競爭力的新產(chǎn)品推向市場,，并且其音頻性能達(dá)到或者超過了傳統(tǒng)的模擬放大器,。 

       D類音頻放大器可以在90%左右的效率水平下運(yùn)行，讓設(shè)計(jì)者能夠利用小型散熱器或者無需散熱器即可提供極高的音頻輸出,。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)新的小型音頻產(chǎn)品,，而這是利用傳統(tǒng)的模擬AB類放大器無法實(shí)現(xiàn)的。

       然而,，從頭設(shè)計(jì)D類放大器并非易事。巨大的挑戰(zhàn)在于確保放大器能夠安全運(yùn)行,。但是,，如果可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，音頻性能或多或少是可以預(yù)知的,，并且主要取決于所用元件的質(zhì)量,。

       本文將比較AB類和D類放大器的設(shè)計(jì)與性能，介紹D類設(shè)計(jì)相關(guān)的主要挑戰(zhàn),，說明更高的集成度如何幫助工程師更快的完成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成本與性能目標(biāo),。

模擬與數(shù)字放大器設(shè)計(jì)

       多年以來，AB類模擬拓?fù)湟褟V泛用于整個(gè)音頻行業(yè),。AB類操作結(jié)合了A類操作(其中,，輸出晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)關(guān)閉,，導(dǎo)致功耗居高不下)和B類操作(其中，每個(gè)器件都只會(huì)接通半個(gè)信號(hào)周期(180度),，從而大幅降低了功耗),。在AB類放大器內(nèi)，各個(gè)輸出器件都會(huì)接通200度左右,，犧牲了一定的能效,，但是產(chǎn)生了少量重疊，從而減輕了一個(gè)器件關(guān)閉,，另一個(gè)器件接通時(shí)的交越失真,。

       為了利用AB類放大器實(shí)現(xiàn)盡可能最高的音頻保真度，設(shè)計(jì)者必須以最佳的方式偏置晶體管,，以便操作保持在線性區(qū)域內(nèi)和將交越失真最小化,。器件選擇和電路布局也會(huì)影響聲音的質(zhì)量和類型，從而讓設(shè)計(jì)者能夠針對(duì)某些應(yīng)用和環(huán)境優(yōu)化之,。通常,，AB類放大器的工作效率為30-35%。這比純A類設(shè)計(jì)15-30%的效率高得多,，但是需要添加大型散熱器,，從而增加了成品的成本和體積。

       過去,，設(shè)備采購商易于接受高級(jí)高保真音響和音/視頻設(shè)備體積大的問題,。然而，當(dāng)今對(duì)高性能移動(dòng)設(shè)備和更流行的超薄家用多媒體系統(tǒng)的需求越來越需要能夠提供同等或更高音質(zhì),、占用的PCB面積更小,、工作效率更高、能耗更低,、需要更少散熱器的數(shù)字放大器,。

       在D類放大器中，輸出晶體管是在開關(guān)模式下運(yùn)行,，而不是在線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行,，這樣就讓設(shè)計(jì)者能夠提供當(dāng)今終端用戶期望的外形更小巧、能效更高的產(chǎn)品,。在輸出端,，利用低通濾波器去除開關(guān)載波信號(hào)及其諧波，從而產(chǎn)生高質(zhì)量放大音頻信號(hào),。

       D類放大器的通用功能模塊如圖1所示,。將輸入音頻信號(hào)與高頻鋸齒波形對(duì)比，生成輸入的脈寬調(diào)制方波表達(dá)式,。鋸齒波頻率通常在400kHz上下,。這正好在音頻信號(hào)頻率范圍之外,，因此有助于簡化輸出濾波器設(shè)計(jì)。

圖1：D類放大器的主要功能模塊,。

       然后,，音頻信號(hào)的脈寬調(diào)制等效信號(hào)被用于驅(qū)動(dòng)放大器輸出級(jí)，它是全橋或者半橋MOSFET陣列,。輸出拓?fù)溥x擇取決于系統(tǒng)要求,，例如成本、功率輸出和電源設(shè)計(jì),。例如,，半橋輸出級(jí)需要正、負(fù)供電,。另一方面,，全橋能夠由單電源供電，并且還能為給定的電源電壓產(chǎn)生較高的輸出,。

       在這兩種情況下,，輸出MOSFET的特性均針對(duì)D類音頻放大器操作進(jìn)行了優(yōu)化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)效率最大化,，并保證低總諧波失真+噪聲(THD+ N)和EMI,。這需要低導(dǎo)通電阻(用于在終端產(chǎn)品內(nèi)實(shí)現(xiàn)高電源密度)以及優(yōu)化的柵極電荷和體二極管反向恢復(fù)特性(用于實(shí)現(xiàn)快速且高效的交換)。

       放大的音頻信號(hào)包含在MOSFET橋輸出端處的方波內(nèi),。低通濾波消除了音頻外頻率,，恢復(fù)了純音頻信號(hào)以便驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

D類設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

       由于功率晶體管不是處于硬開狀態(tài),，就是處于全關(guān)狀態(tài),，所以設(shè)計(jì)者無需做任何調(diào)整就可以優(yōu)化性能。然而,，PWM變換級(jí)必須得到很好的保護(hù),，并且需要精確的柵極控制和低脈寬失真，以及高,、低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)要匹配,，方可將死區(qū)時(shí)間最小化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳線性度,。

       開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)很高，設(shè)計(jì)D類放大器本來就是一個(gè)功率電子挑戰(zhàn),，需要具備開關(guān)控制和保護(hù)電路設(shè)計(jì)方面的知識(shí),。如果設(shè)計(jì)階段沒有正確解決這些問題，那么原型就可能無法運(yùn)行或者在測試時(shí)出現(xiàn)災(zāi)難性的故障,。如果發(fā)生了這類故障,，那么查明和修正這些缺陷就會(huì)非常困難,，并且還會(huì)額外增加成本和導(dǎo)致項(xiàng)目延期完成。

       參照?qǐng)D1,，就能夠確定與放大器的主要功能模塊相關(guān)的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)了,。

誤差放大器和噪聲隔離

       音頻放大器的主要品質(zhì)因數(shù)為噪聲和總諧波失真(THD)。在D類放大器中,，這些是由缺陷造成的,，包括有限的開關(guān)時(shí)間、過上/下沖和電源波動(dòng),。要將這些影響降至最低水平,，就需要仔細(xì)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼`差放大器，它能夠通過比較輸入和輸出音頻信號(hào)來修正輸出級(jí)內(nèi)的缺陷,。然而,，A類或AB類設(shè)計(jì)所用的典型誤差放大器不適于D類音頻放大器的嘈雜環(huán)境。購買合適的運(yùn)算放大器和確保足夠高的抗噪性可能會(huì)很困難而且代價(jià)高昂,。

       就噪聲隔離而言,，D類拓?fù)湟笄啊⒑蠖艘M可能地靠近彼此,。在分立式解決方案中,，設(shè)計(jì)者必須決定如何將輸入端的噪聲敏感型模擬電路與輸出級(jí)產(chǎn)生的潛在破壞性開關(guān)噪聲隔離開來。集成式D類放大器模塊讓設(shè)計(jì)者能夠繞開這些挑戰(zhàn),。然而,，利用適當(dāng)?shù)钠骷?個(gè)電路之間實(shí)現(xiàn)充分的電隔離至關(guān)重要。

PWM比較器和電平移位

       誤差放大器處理完輸入音頻信號(hào)并產(chǎn)生形狀適當(dāng)?shù)妮敵鲋?，比較器會(huì)將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào),。

柵極驅(qū)動(dòng)和MOSFET開關(guān)

       柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)接收來自于比較器的PWM信號(hào)。這個(gè)階段,，在高端和低端MOSFET的導(dǎo)通相之間插入死區(qū)時(shí)間,，用以防止過大的電流流過電橋。死區(qū)時(shí)間消除了輸出MOSFET開關(guān)延遲時(shí)間的影響,，開關(guān)延遲會(huì)產(chǎn)生破壞性直通電流通行,，因此能夠保證安全操作。然而,，插入死區(qū)時(shí)間還會(huì)導(dǎo)致非線性,，從而產(chǎn)生不必要的失真。

       精確的柵極控制是實(shí)現(xiàn)高音頻性能的關(guān)鍵,。柵極驅(qū)動(dòng)器必須具有脈寬失真低的特性,，并且高、低端柵極驅(qū)動(dòng)器級(jí)之間要匹配。這2個(gè)特性對(duì)于將死區(qū)時(shí)間最小化以便實(shí)現(xiàn)線性放大器性能而言至關(guān)重要,。事實(shí)上,，死區(qū)時(shí)間插入通常被視為D類放大器交換級(jí)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分。

保護(hù)電路

       由于MOSFET的功耗與負(fù)載電流的平方成正比,，所以保護(hù)電路通常要監(jiān)測負(fù)載電流,，以便防止在過載條件下發(fā)生MOSFET故障。外部分流電阻器通常用于負(fù)載電流檢測,，但是電阻選擇和噪聲濾波等方面也很關(guān)鍵,。這會(huì)增加整個(gè)解決方案的成本和物理尺寸，并且會(huì)拖延項(xiàng)目完成時(shí)間,。

還需要保護(hù)電路來解決由于功率級(jí)的關(guān)鍵電流環(huán)路通道內(nèi)的雜散電感而產(chǎn)生的其它開關(guān)噪聲的影響,。

D類音頻放大器IC

       為了幫助音頻工程師迅速完成D類設(shè)計(jì)和避開原型開發(fā)過程中的陷阱，IR利用其在功率集成方面的專業(yè)知識(shí)制定了D類音頻IC的發(fā)展路線圖,，向著在單個(gè)封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整D類放大器的方向邁進(jìn),。

       該系列的首款器件為IRS2092音頻驅(qū)動(dòng)器，具有受保護(hù)的PWM開關(guān)功能,。它設(shè)計(jì)用于連接從IR 50W~500W目標(biāo)應(yīng)用中選擇的外部數(shù)字音頻MOSFET,。這些器件讓設(shè)計(jì)者能夠采用芯片集成法實(shí)現(xiàn)比類似的AB類設(shè)計(jì)小得多的D類音頻解決方案。利用IRS2092驅(qū)動(dòng)2個(gè)IRF6645 DirectFET音頻MOSFET讓設(shè)計(jì)者能夠創(chuàng)造板空間小60%,、典型物料成本低20%的100W放大器,。

       IRS2092整合了誤差放大器、PWM比較器,、具有死區(qū)時(shí)間插入功能的MOSFET變換級(jí)和過載保護(hù)功能,，這些都是D類放大器的主要功能元件。圖2中的模塊簡圖介紹了這些功能,。

圖2：IRS2092 D類放大器IC的模塊簡圖,。

       內(nèi)置式誤差放大器基于優(yōu)化的、帶寬為9MHz的高抗噪性運(yùn)算放大器,，讓設(shè)計(jì)者能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)低于0.01%的音頻失真(THD),。然后，PWM比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳播延遲短的PWM,，這讓設(shè)計(jì)者能夠自由地優(yōu)化反饋環(huán)路,。通常，一部分開關(guān)信號(hào)被反饋給誤差放大器的輸入端,，并利用低通濾波器進(jìn)行預(yù)處理,。然而，可以通過拉近來自于輸出端的反饋之間的距離來降低失真和負(fù)載依賴度,。IRS2092讓設(shè)計(jì)者能夠從任意被認(rèn)為是最佳的點(diǎn)獲得反饋和增加穩(wěn)定性補(bǔ)償,，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)燒友級(jí)諧波失真和噪聲(THD + N)性能,。

       高壓電平移位器將接地參考數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成以高端和低端MOSFET的各個(gè)源為參考的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而無論各端存在著怎樣的電壓差異都能夠準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)PWM信號(hào),，正如理想的差分放大器那樣。獲得專利的結(jié)隔離法能夠防止輸出電路產(chǎn)生的噪聲干擾輸入信號(hào),。

       在柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)的各個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)之間插入死區(qū)時(shí)間,，以便防止高、低端MOSFET內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài),。事實(shí)上,，IRS2092讓設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)所選MOSFET選擇死區(qū)時(shí)間的長短。保證期限讓設(shè)計(jì)者免去了評(píng)估最差情況的環(huán)節(jié),。

       跟分立式解決方案不同,，IRS2092中內(nèi)置了過載保護(hù)，可以監(jiān)測輸出電流,，并且如果超過了預(yù)定的閾值,，還可以關(guān)閉PWM。

       其它與功率變換級(jí)設(shè)計(jì)關(guān)系緊密的重要放大器特性包括消除脈寬調(diào)制器產(chǎn)生的EMI的措施,，以及用于在啟動(dòng)和關(guān)閉過程中降低開關(guān)噪聲的電路,。通過在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這些特性，IRS2092進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)開銷和元件數(shù)量,。這種方法解決了與D類放大器有關(guān)的功率電子設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),，為工程師應(yīng)用專業(yè)音頻技巧進(jìn)一步提升性能打下了基礎(chǔ)。

實(shí)際的集成式放大器

       為了給設(shè)計(jì)者提供進(jìn)一步的幫助,，IR證明這種方法也適用于120W雙通道半橋參考設(shè)計(jì)IRAUDAMP5,。在利用IRF6645 DirectFET MOSFET驅(qū)動(dòng)4Ω揚(yáng)聲器負(fù)載內(nèi)的2x60W時(shí)，放大器在輸出端實(shí)現(xiàn)了極低的THD+N(0.005%),。并且,，在120W下實(shí)現(xiàn)了96%的通道效率。參考設(shè)計(jì)可以為選擇反饋(來自于功率輸出級(jí))通道內(nèi)所需的外部集成器元件和RC濾波器元件提供指導(dǎo),。并且,，還提供了全部所需家用電源、優(yōu)化的板布局,、PCB制造詳情和物料清單,。設(shè)計(jì)無需散熱器即可在1/8連續(xù)額定功率下正常運(yùn)行，并且輸出功率和通道數(shù)量均可擴(kuò)展,。

       音頻放大器設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是保證啟動(dòng)和關(guān)閉規(guī)程的正確性,，防止這些間隔期間出現(xiàn)的瞬態(tài)通過輸出揚(yáng)聲器產(chǎn)生聽得到的開關(guān)噪聲。傳統(tǒng)地,，通過插入只有在啟動(dòng)瞬態(tài)通過之后將揚(yáng)聲器與音頻放大器連接到一起,，并在關(guān)閉放大器之前斷開揚(yáng)聲器連接的串聯(lián)繼電器來將這些瞬態(tài)摒除在揚(yáng)聲器之外,。由于IRS2092集成了開關(guān)噪聲消除功能，所以IRAUDAMP5無需任何串聯(lián)繼電器即可斷開揚(yáng)聲器,，防止產(chǎn)生聽得見的瞬態(tài)噪聲,。

單封裝D類放大器

       利用這種方法，下一級(jí)集成是在相同的封裝內(nèi)添加針對(duì)數(shù)字音頻應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的功率MOSFET,，以及PWM控制器,、柵極驅(qū)動(dòng)器電路和集成式保護(hù)特性。IR的最新PowIRaudio系列集成式功率模塊實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo),，讓設(shè)計(jì)者能夠?yàn)槊嫦蚋咝阅芨弑Ｕ嬉繇?、家庭影院系統(tǒng)和汽車音響等應(yīng)用的高效放大器進(jìn)一步減少元件數(shù)量，并且將電路板尺寸縮小了70%之多,。

       該系列的4款PowIRaudio器件包括IR4301M,、IR4311M、IR4302M和IR4312M,，支持35W/4Ω~130W/4Ω全橋和半橋拓?fù)?，讓設(shè)計(jì)者能夠配置2.1通道、5通道,、6通道和7.1通道應(yīng)用,。這些器件具有很寬的工作電壓范圍，IR4301/4302和IR4311/4312的工作電壓分別高達(dá)62V/±31V和32V/±16V,。該系列共有的其它重要特性包括過流保護(hù),、熱關(guān)斷、內(nèi)部/外部關(guān)斷和浮動(dòng)差分輸入,。IR4302和IR4312還具有芯片檢測功能,。

       利用這些器件，設(shè)計(jì)者可以構(gòu)建面向典型音樂回放應(yīng)用的放大器,，其無需機(jī)械散熱器并且能夠?qū)崿F(xiàn)出色的音頻性能,，例如THD+N低至0.02%?？刂破鱅C的高抗噪性保證在各種環(huán)境條件下均能實(shí)現(xiàn)可靠操作,。這些器件采用散熱型PQFN封裝，尺寸為5mm x 6mm(IR4301/4311)和7mm x 7mm(IR4302/4312),，因此實(shí)現(xiàn)了IR高級(jí)D類組合封裝解決方案優(yōu)勢最大化,。

       為了幫助完成定制設(shè)計(jì)，共提供了6個(gè)參考設(shè)計(jì),，利用了采用單端和獨(dú)立電源配置的IR4301和IR4302,，以及采用單端電源的IR4311和IR4312。這些設(shè)計(jì)面向35W,、70W,、100W和130W應(yīng)用,，包括帶和不帶散熱器的配置。采用IR4302,、面向100W雙通道無散熱器放大器的IRAUDAMP17參考設(shè)計(jì)如圖3所示,。

圖3：采用IR4302的100W雙通道D類參考設(shè)計(jì)。

       放大器功耗與THD+N性能的關(guān)系如圖4所示,，效率與功耗的關(guān)系如圖5所示,。

圖4：采用IR4302的IRAUDAMP17參考設(shè)計(jì)的THD+N與功耗的關(guān)系。

圖5：采用IR4302的IRAUDAMP17參考設(shè)計(jì)的效率與功耗的關(guān)系,。

       通過簡化新一代交鑰匙D類芯片放大器的獲得方法，這些參考設(shè)計(jì)能夠幫助設(shè)計(jì)者克服散熱挑戰(zhàn),，在適用于家庭影院和電視,、音頻擴(kuò)展、有源音箱,、樂器和售后市場汽車系統(tǒng)等產(chǎn)品的,、寬額定音頻輸出功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)。

       利用這種方法,，設(shè)計(jì)者可以保證在合理的時(shí)間窗口內(nèi)完成各個(gè)項(xiàng)目,，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的音頻質(zhì)量目標(biāo)，同時(shí)還能為產(chǎn)品小型化設(shè)定新標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)極具競爭力的價(jià)格,。