有關(guān)應對D類(lèi)放大器設計挑戰的可升級方案
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他們面臨的挑戰與功率晶體管的開(kāi)關(guān)工作模式有關(guān)，這種模式要求徹底導通或徹底關(guān)斷。一個(gè)精心調整和良好保護的PWM開(kāi)關(guān)電路能夠可靠地執行上述操作。但是一個(gè)具有小小錯誤或非理想參數的設計很容易導致原型的徹底失敗。當放大器自毀后，很難查清具體的原因。因此更正錯誤會(huì )為項目開(kāi)發(fā)增加大量的時(shí)間和成本。
為了加快D類(lèi)放大器的設計，國際整流器公司(IR)將四個(gè)主要的D類(lèi)放大器構建模塊集成為一個(gè)單芯片解決方案(見(jiàn)圖1)。通過(guò)將誤差放大器、PWM比較器、柵極驅動(dòng)級電路和過(guò)載保護功能結合到一起，IRS2092可以通過(guò)快速優(yōu)化來(lái)提升終端產(chǎn)品的性能和靈活性。
具有噪聲隔離功能的誤差放大器
音頻放大器的主要指標是噪聲和總諧波失真(THD)。在D類(lèi)放大器中，影響這些指標的因素包括有限的開(kāi)關(guān)時(shí)間、過(guò)沖/欠沖以及電源波動(dòng)。改善這些因素需要提高誤差放大器的性能。誤差放大器用于比較輸出音頻信號與輸入音頻信號，并根據比較結果校正輸出級電路中的這些缺陷。
D類(lèi)放大器的噪聲環(huán)境所要求的特性與A類(lèi)或A/B類(lèi)設計中所要求的不一樣，因此要找到一個(gè)合適的運算放大器是一件復雜且耗時(shí)的過(guò)程。IRS2092中集成了一個(gè)優(yōu)化的運算放大器，具有較高的噪聲抑制能力，帶寬為5MHz，在圖2所示的設計實(shí)例中實(shí)現了0.005%的THD。
噪聲隔離
D類(lèi)放大器拓撲結構要求前后端靠得很近。在分立實(shí)現方案中，設計師必須確定如何將對噪聲敏感的模擬輸入部分與大信號輸出級中的有害開(kāi)關(guān)噪聲隔離開(kāi)來(lái)。
圖1：IRS2092單芯片解決方案
圖2：THD+N比與輸出功率的關(guān)系
而在單芯片方案中，最艱巨的挑戰包括如何實(shí)現上述兩種電路之間足夠的電氣隔離。IRS2092采用了專(zhuān)有的半導體結隔離方法，確保了噪聲隔離指標。
PWM比較器和電平轉換
一旦誤差放大器對輸入音頻信號處理后輸出形狀與輸入信號成比例的信號，比較器就會(huì )將該模擬信號轉換成一個(gè)脈沖寬度調制(PWM)信號。
IRS2092的PWM比較器將模擬信號轉變成PWM信號時(shí)，傳播延遲很小，因此在優(yōu)化反饋環(huán)路設計時(shí)具有較大的靈活度。
下一個(gè)挑戰是將PWM信號從安靜的誤差放大器電路輸送到噪聲較大的開(kāi)關(guān)級電路。此時(shí)會(huì )有一個(gè)高電壓電平轉換器將數字信號轉換到一個(gè)不同的浮動(dòng)電位上，因此不管兩邊的電壓差如何都能準確地傳送PWM信號，就像一個(gè)理想的差分放大器那樣。
柵極驅動(dòng)和MOSFET開(kāi)關(guān)級電路
柵極驅動(dòng)級電路接收來(lái)自比較器、參考電平為地電平的PWM信號，并對該信號進(jìn)行低電平轉換，形成分別以高端和低端MOSFET的源極為參考電平的柵極驅動(dòng)信號。在柵極驅動(dòng)級，在每個(gè)ON狀態(tài)之間插入一個(gè)死區時(shí)間，以防止在高端和低端MOSFET中同時(shí)出現ON狀態(tài)。
精確的門(mén)控制是獲得優(yōu)質(zhì)音頻性能的關(guān)鍵。柵極驅動(dòng)器的脈沖寬度失真必須很小，應該在高端和低端柵極驅動(dòng)級之間達到完全匹配。這兩項屬性都很關(guān)鍵，能將死區時(shí)間減到最小，從而改進(jìn)放大器的線(xiàn)性度。
死區時(shí)間插入
死區時(shí)間插入是D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)級電路設計中最為關(guān)鍵的部分。通過(guò)調整MOSFET有限的開(kāi)關(guān)轉換時(shí)間，死區時(shí)間可以防止沖擊直通，從而確保放大器的安全工作。但是，這也會(huì )產(chǎn)生非線(xiàn)性，從而導致意外失真。設計師常常不得不在THD性能和安全余量之間采取折中。
IRS2092內置了死區時(shí)間控制，設計師可以根據所選的MOSFET來(lái)選擇死區時(shí)間寬度。相對于外部死區時(shí)間控制設計，集成式死區時(shí)間插入的寬度是有保證的，設計師無(wú)需估計最壞情況。
過(guò)載保護
由于MOSFET的功率耗散正比于負載電流的平方，保護電路通常監控負載電流來(lái)防止MOSFET在過(guò)流情況下失效。通常采用一個(gè)外部分流電阻來(lái)檢測負載電流，但電阻選擇和噪聲濾波等因素非常關(guān)鍵，可能會(huì )增加整個(gè)設計的開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和物理尺寸。
保護電路還要求支持對功率級中關(guān)鍵電流環(huán)路路徑中的雜散電感所引起的額外開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行補償校正。
在集成式構建模塊芯片中，內置過(guò)載保護取決于MOSFET的通態(tài)電阻。集成式電路監控輸出電流，當超過(guò)預設門(mén)限時(shí)將切斷PWM。另外，MOSFET通態(tài)電阻較大的正溫度系數隨著(zhù)結溫的升高會(huì )降低過(guò)流門(mén)限，從而增強了放大器的安全性。
結論：即插即用型可升級的Ｄ類(lèi)放大器
通過(guò)上述四個(gè)關(guān)鍵功能的集成，IRS2092提供了一個(gè)即插即用型D類(lèi)放大器解決方案，它已經(jīng)實(shí)現了非常重要的受保護的PWM開(kāi)關(guān)級電路。它的高集成度解決了許多設計挑戰，而且還具有很大的靈活性，允許工程師定制某些功能來(lái)滿(mǎn)足特定的設計需求。
調整放大器使其提供不同的輸出功率電平或者實(shí)現不同數量的通道同樣非常容易，只需選擇合適的外部MOSFET對，并相應調整死區時(shí)間以及過(guò)載保護門(mén)限。外部MOSFET還能讓工程師優(yōu)化EMI和效率來(lái)滿(mǎn)足應用要求。
最后，完備的可升級能力還允許在多個(gè)產(chǎn)品中共享一個(gè)公共基礎設計，并且IRS2092將隨著(zhù)終端產(chǎn)品的發(fā)展而不斷縮減其成本和上市時(shí)間。
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