工程師參考手冊（一）：D類(lèi)功放設計須知

　　一般來(lái)講，在柵極信號中的開(kāi)關(guān)時(shí)間誤差是導致非線(xiàn)性的主要原因。特別是死區時(shí)間嚴重影響了D類(lèi)功放的線(xiàn)性。幾十納秒少量的死區時(shí)間很容易就產(chǎn)生1%以上的THD（總諧波失真），見(jiàn)圖5（c）所示。

　　8、 死區時(shí)間（見(jiàn)圖5（a）所示是如何影響非線(xiàn)性的）

　　其圖5（a）（b）（c）為死區時(shí)間（或稱(chēng)延時(shí)時(shí)間）對失真的影響示意圖。D類(lèi)輸出級中的工作模式可以根據輸出波形如何跟隨輸入時(shí)間可歸類(lèi)成三個(gè)不同的區域。在這三個(gè)不同的工作區，輸出波形跟隨高低端輸入信號的不同邊緣而變化的。

　　讓我們檢查一下第一個(gè)操作區（見(jiàn)圖5c所示High side edges），在這里電流比電感器波紋電流還大時(shí)，輸出電流就從D類(lèi)功放流向負載。高端器件在低端器件開(kāi)通之前關(guān)斷，輸出節點(diǎn)就會(huì )被轉到負母線(xiàn)。這個(gè)過(guò)程與低端器件開(kāi)通時(shí)間無(wú)關(guān)，它是通過(guò)從解調電感的換向電流自動(dòng)造成的。因此輸出波形與嵌入到低端器件開(kāi)通前的死區時(shí)間無(wú)關(guān)。因此PWM波形只被嵌入到高端柵極信號的死區短路了，而造成所希望的輸入占空比的輕微電壓增益降低。

　　有個(gè)相似的情況發(fā)生在負工作區（見(jiàn)圖5c所示Low side edges），輸出電流從加載流向D類(lèi)功放。電流高于電感波紋電流。在這種情況下，輸出波形的時(shí)間并沒(méi)有受嵌入高端開(kāi)通沿的死區時(shí)間的影響，而總是允許低端輸入時(shí)間。因此，PWM波形只被嵌入到低端器件柵極信號的死區時(shí)間短路。

　　在以前描述的兩個(gè)操作模式中存在一個(gè)區域，在這個(gè)區域中輸出時(shí)間與死區時(shí)間是獨立的。當輸出電流小于電感波紋電流時(shí)，輸出時(shí)間跟隨每個(gè)輸入的關(guān)斷沿。因為在這個(gè)區域，是ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）操作狀態(tài)（見(jiàn)圖5c所示Falling edges），因此在中間區域就不會(huì )有失真。

　　當輸出電流隨著(zhù)音頻輸入信號的不同而變化時(shí)，D類(lèi)功放將改變它的操作區，這樣每個(gè)都會(huì )有細小的不同增益。在音頻信號的周期中的這三個(gè)不同區域增議會(huì )歪曲輸出波形。

　　圖5（b）顯示的是死區時(shí)間如何影響THD性能的。一個(gè)40nS死區時(shí)間可以產(chǎn)生2%的THD。這個(gè)可以通過(guò)減小死區時(shí)間到15nS提高到0.2%。這個(gè)標志著(zhù)更好線(xiàn)性與高低端開(kāi)關(guān)器件轉換過(guò)程的重要性。

　　9、 音頻性能測量

　　有著(zhù)AESl7網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾器的音頻測量?jì)x器是很必需的。當然，像傳統音頻分析器HP8903B，加上合適的前級低通濾波器也可以使用。在這里需要重要考慮的是D類(lèi)功放的輸出信號在其波形上仍然含有大量的開(kāi)關(guān)載波頻率，這樣就造成錯誤的讀取。這些分析器也許很難防止D類(lèi)功放的載波泄露。

　　10、防止直通

　　盡管如此，一個(gè)狹窄的死區時(shí)間在大量生產(chǎn)中是很危險的。因為一旦高低端晶體管被同時(shí)打開(kāi)，那么直流母線(xiàn)的電壓就會(huì )被晶體管短路，大量的直通電流將開(kāi)始流動(dòng)，這便會(huì )導致器件損壞。我們應該注意到有效的死區時(shí)間對每個(gè)功放是不同的，與元件參數和芯片溫度有關(guān)。對于一個(gè)D類(lèi)功放的可靠設計來(lái)講確保死區時(shí)間總是正的而決不是負的來(lái)防止晶體管進(jìn)入直通，這是非常重要的。

　　11、關(guān)于電源吸收能量

　　另外一個(gè)在D類(lèi)功放中引起明顯降額的原因是母線(xiàn)充電，當半橋拓撲在給負載輸出低頻時(shí)可以看到。要時(shí)刻記住，D類(lèi)功放的增益與母線(xiàn)電壓直接成比例關(guān)系。因此，母線(xiàn)電壓波動(dòng)產(chǎn)生失真，而D類(lèi)功放中的電流流動(dòng)是雙向的，則就存在了從功放返回到電源時(shí)期。大量流回到電源的能量來(lái)自于輸出LPF的電感存儲的能量。通常，電源沒(méi)有辦法吸收從負載回流過(guò)來(lái)的能量。因此，母線(xiàn)電壓上升，造成電壓波動(dòng)。母線(xiàn)電壓上升并不是發(fā)生在全橋拓撲上，因為從開(kāi)關(guān)橋臂同儲到由源的能源熔會(huì )在另一個(gè)橋臂消耗掉。

　　12、對EMI（電磁輻射）的考慮

　　在D功放設計中的EMI（電磁輻射）是很麻煩的，像在其他開(kāi)關(guān)應用中一樣。EMI的主要來(lái)源之一是來(lái)自從高到低流動(dòng)的MOSFET二極管的反向恢復電荷，和電流直通很相象。在嵌入到阻止直通電流的死區過(guò)程中，在輸出LPF中的電感電流打開(kāi)體二極管。在下一個(gè)階段中，當另外一端的MOSFET在死區未打開(kāi)時(shí)，體晶體管保持導通狀態(tài)，除非儲存的大量少數載波被完全復合。這個(gè)