高性能4通道D類(lèi)音頻放大器設計

不論是汽車(chē)娛樂(lè )還是家庭影院系統市場(chǎng)，消費者始終要求有更多的通道和揚聲器，每個(gè)通道還要能夠處理更高的音頻功率水平。除了更高的瓦特數，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。

但是，在多通道設計中，獨立驅動(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。結果導致溫度相關(guān)設計復雜化，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的功耗和簡(jiǎn)化相關(guān)的溫度管理，設計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(guò)90%效率的高效D類(lèi)音頻放大器。相比之下，適用于這個(gè)市場(chǎng)的傳統AB類(lèi)放大器其效率只有50%左右，且效率會(huì )隨著(zhù)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，以減少元件數目和電路板面積。

4通道驅動(dòng)器

國際整流器公司(IR)根據這種需求，把先進(jìn)DirectFET功率MOSFET與創(chuàng )新的集成音頻驅動(dòng)器結合，開(kāi)發(fā)出一種4通道D類(lèi)音頻放大器設計，其性能可與單通道解決方案相媲美。為達到這個(gè)目標，電路采用了集成式音頻驅動(dòng)器IRS2093M，該器件將4個(gè)高壓功率MOSFET驅動(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(zhuān)為半橋拓樸中的D類(lèi)音頻放大器應用而設計的片上誤差放大器、模擬PWM調制器、可編程預置死區時(shí)間以及可靠的保護功能(圖1) 。除了可以防止功率MOSFET出現直通電流和電流沖擊，可編程預置死區時(shí)間還實(shí)現了功率和通道數量可擴展的功率設計。這些保護功能包括帶有自動(dòng)復位控制功能的過(guò)流保護(OCP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護。

圖1：這款200V器件除了把高壓功率MOSFETS驅動(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調制器、可編程預置死區時(shí)間和先進(jìn)保護功能。

為了在不同通道之間實(shí)現一流的隔離，音頻驅動(dòng)器部署了已獲肯定的高壓結隔離技術(shù)和采用Gen 5 HVIC工藝的浮動(dòng)柵極驅動(dòng)器。這樣就在裸片上實(shí)現了良好的內部信號隔離，這使得電路可以同時(shí)處理更多通道的信號，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擾。

接著(zhù)，我們建構了如圖2所示的4通道半橋D類(lèi)音頻放大器電路，它結合了集成式D類(lèi)音頻控制器和柵極驅動(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)通道都被設計成能夠提供120W的輸出功率。為便于使用，該電路包含了所有必需的內部管理電源。

圖2：這款4通道半橋D類(lèi)音頻放大器設計采用了集成式D類(lèi)音頻控制器和IRS2093M柵極驅動(dòng)器，以及8顆IRF6665 DirectFET MOSFET和一些無(wú)源器件。

為達到最佳整體性能，IRF6665功率MOSFET特別針對D類(lèi)放大器設計進(jìn)行了優(yōu)化。除了提供低通態(tài)電阻，還對功率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和最小內部柵極電阻。此外，與傳統的引線(xiàn)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(shuō)，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計，這個(gè)4通道D類(lèi)音效放大器解決方案采用自振蕩PWM調制。由于這種拓樸相當于一個(gè)模擬二階sigma-delta調制，且D類(lèi)開(kāi)關(guān)級在環(huán)內，因此在可聽(tīng)頻率范圍內的誤差根據其工作特性被轉移到不可聽(tīng)頻率之上，從而降低了噪聲。同時(shí)，sigma-delta調制允許設計師執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、柵極驅動(dòng)器和輸出低通濾波器(LPF)。盡管這種設計能夠以更高的頻率開(kāi)關(guān)，但由于某些原因，它仍然以400kHz作為最佳開(kāi)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(kāi)關(guān)載波的漏電也會(huì )增加。其次，在較高頻率下，開(kāi)關(guān)損耗會(huì )降低效率，但有機會(huì )實(shí)現更寬的頻寬。當電感紋波電流減少，鐵損耗就會(huì )攀升。

由于在D類(lèi)音效放大器中，負載電流的方向隨音頻輸入信號改變，而過(guò)流狀況有可能在正電流周期或負電流周期中發(fā)生。因此，為同時(shí)保護高側和低側MOSFET免受兩個(gè)方向的過(guò)電流影響，用可編程過(guò)流保護(OCP)提供雙向保護，并以輸出MOSFET的RDS(on)作為電流感應電阻。在這個(gè)設計中，當測量的電流超過(guò)預設的臨界值，OCP邏輯便會(huì )輸出信號到保護電路，迫使HO和LO管腳置于低電平，從而保護MOSFET不受損害。

由于高壓IC的結構限制，高側和低側MOSFET的電流感應部署并不相同。例如，低側電流感應是基于器件在通態(tài)狀態(tài)下，低側MOSFET兩端的VDS。為防止瞬時(shí)過(guò)沖觸發(fā)OCP，在LO開(kāi)通后加入一個(gè)消隱間隔，停止450ns過(guò)電流檢測。

低側過(guò)流感應的臨界電壓由OCSET管腳設定，范圍由0.5V到5.0V。如果為低側MOSFET測量的VDS超過(guò)了OCSET管腳對應COM的電壓，驅動(dòng)器電路就會(huì )執行OCP保護程序。要設定過(guò)電流的關(guān)斷電平，可以利用以下的算式計算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(guò)分壓器的電流達到0.5mA或更多。同時(shí)，通過(guò)一個(gè)電阻分壓器將VREF輸入到OCSET，改善了對電源電壓Vcc波動(dòng)的抗擾性。

同樣地，對于正負載電流，高側過(guò)流感應也會(huì )監測負載條件，此時(shí)根據經(jīng)CSH和Vs管腳高側開(kāi)啟期間在MOSFET兩端測量的VDS進(jìn)行監測。當負載電流超過(guò)預設的關(guān)斷電平，OCP保護便會(huì )停止開(kāi)關(guān)運作。為防止瞬態(tài)過(guò)沖觸發(fā)OCP，可在HO開(kāi)通后加入一個(gè)消隱間隔，停止450ns過(guò)流檢測。