D類(lèi)功放設計須知（四）

　　引 言

　　多媒體時(shí)代，傳統A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)線(xiàn)性模擬音頻放大器因效率低，能耗大，已不能滿(mǎn)足電子視聽(tīng)類(lèi)LCD／PDP／OLED／LCOS／PDA等綠色節能、高效、體積小等新發(fā)展趨勢，而非線(xiàn)性音頻放大器件Class-D類(lèi)功放因具備節能、高效率、高輸出功率、低溫升效應、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，將被納入越來(lái)越多新產(chǎn)品設計中。D類(lèi)放大器架構上分半橋非對稱(chēng)型和全橋對稱(chēng)型，而全橋類(lèi)相對半橋型具有高達4倍的輸出功率，更為高效；從信號適應上分模擬型和I2S全數字型，因全數字型尚處發(fā)展階段，成本高，而模擬型因成本優(yōu)勢將在未來(lái)幾年處于應用主流。本文重點(diǎn)剖析了全橋模擬型D類(lèi)功放設計要素，實(shí)現了一種基于NXP公司新型綠色能效模擬D類(lèi)功放TFA9810T電路設計，并重點(diǎn)對綠色節能高效、高輸出功率、低溫升效應、PCB布局、EMI抑制幾個(gè)方面進(jìn)行總結分析。

　　1 D類(lèi)功率放大器原理特點(diǎn)

　　1．1 D類(lèi)放大器系統結構

　　D類(lèi)放大器由積分移相、PWM調制模塊、G柵級驅動(dòng)、開(kāi)關(guān)MOSFET電路、Logic輔助、輸出濾波、負反饋、保護電路等部分組成。流程上首先將模擬輸入信號調制成PWM方波信號，經(jīng)過(guò)調制的PWM信號通過(guò)驅動(dòng)電路驅動(dòng)功率輸出級，然后通過(guò)低通濾波濾除高頻載波信號，原始信號被恢復，驅動(dòng)揚聲器發(fā)聲，如圖1所示。

　　1．2 調制級（PWM-Modulation）

　　調制級就是A／D轉換，對輸入模擬音頻信號采樣，形成高低電平形式數字PWM信號。圖2中，比較器同相輸入端接音頻信號源，反向端接功放內部時(shí)鐘產(chǎn)生的三角波信號。在音頻輸入端信號電平高于三角波信號時(shí)，比較器輸出高電平VH，反之，輸出低電平VL，并將輸入正弦波信號轉換為寬度隨正弦波幅度變化的PWM波。這是D類(lèi)功放核心之一，必須要求三角波線(xiàn)性度好，振蕩頻率穩定，比較器精度高，速度快，產(chǎn)生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入調制措施參見(jiàn)文獻［2］。

　　1．3 全橋輸出級

　　輸出級是開(kāi)關(guān)型放大器，輸出擺幅為VCC，電路結構如圖3所示。將MOSFET等效為理想開(kāi)關(guān)，關(guān)斷時(shí)，導通電流為零，無(wú)功率消耗；導通時(shí)，兩端電壓依然趨近為零，雖有電流存在，但功耗仍趨近零；整個(gè)工作周期，MOSFET基本無(wú)功率消耗，所以理論上D類(lèi)功放的轉換效率可接近100％，但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導損耗，整體轉換效率一般可達90％左右。因為轉換效率很高，所以芯片本身消耗的熱能小，溫升也才很小，完全可以不考慮散熱不良，因此被稱(chēng)為綠色能效D類(lèi)功放。

　　對全橋，進(jìn)一步減小導通損耗，要使MOSFET漏源的導通電阻RON盡量小。選取低開(kāi)關(guān)頻率和柵源電容小的MOSFET，加強前置驅動(dòng)器的驅動(dòng)能力。

　　1．4 LPF低通濾波級

　　LPF濾波器可消除PWM信號中電磁干擾和開(kāi)關(guān)信號，提高效率，降低諧波失真，直接影響放大器帶寬和THD，必須設置合適截止頻率和濾波器滾降系數，以保證音頻質(zhì)量。對于視聽(tīng)產(chǎn)品，20 Hz～20 kHz為可聽(tīng)聲；低于20 Hz為次聲；高于20 kHz為超聲。應用中一般設置截止頻率為30 kHz，這個(gè)頻率越低，信號帶寬越窄，但過(guò)低會(huì )損傷信號質(zhì)量，過(guò)高會(huì )有噪聲混入。常用LPF濾波器一般有巴特沃思濾波器、切比雪夫濾波器、考爾濾波器三種。巴特沃思濾波器在通帶BW內最大平坦幅度特性好，易實(shí)現，因此視聽(tīng)產(chǎn)品多采用等效內阻小，輸出功率大的LC二階巴特沃思濾波器如圖4所示。

　　1．5 負反饋

　　負反饋是LPF電路，將檢測到的輸出級音頻成分反饋到輸入級，與輸入信號比較，對輸出信號進(jìn)行補償、校正、噪聲整形，以此改善功放線(xiàn)性度，降低電源中紋波（電源抑制比，PSRR）。負反饋可減小通帶內因脈沖寬度調制、輸出級和電源電壓變化而產(chǎn)生的噪聲，使輸出PWM中低頻成分總能與輸入信號保持一致，以得到很好的THD，使聲音更加豐富精確。

　　1．6 功耗效率分析

　　D類(lèi)效率在THD《7％情況下，可達85％以上效率，遠高于普及使用的最大理論效率78.5％的線(xiàn)性功放。根本原因在于輸出級MOSFET完全工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。理論上，D類(lèi)功放效率為：

　　假設D類(lèi)功放MOSFET導通電阻為RON，所有其他無(wú)源電阻為RP，濾波器電阻為RF，負載電阻為RL，則不考慮開(kāi)關(guān)損耗的效率為：

　　式中：fOSC是振蕩器頻率；tON和tOFF分別是MOSFET開(kāi)、關(guān)頻率。此時(shí)效率為：

　　由上述公式得知，D類(lèi)功放中負載RL，相對其他電阻，比值越大效率越高；MOSFET作為續流開(kāi)關(guān)，所消耗的功率幾乎等于MOSFET導通阻抗上I2RON損耗和靜態(tài)電流總和，相比較輸出到負載的功率幾乎可忽略。所以，其效率遠高于線(xiàn)性功放，如圖5所示。非常適應現今綠色節能的要求，適合被平板等數字視聽(tīng)產(chǎn)品規模使用。

　　2 D類(lèi)功放需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)

　　在D類(lèi)設計應用中需注意以下幾點(diǎn)：

　　2．1 Deadtime（死區校正）

　　全橋MOSFET管輪流成對導通，理想狀態(tài)一對導通，另一對截止，但實(shí)際上功率管的開(kāi)啟關(guān)斷有一個(gè)過(guò)程。過(guò)渡過(guò)程中，必有一瞬間，如圖3所示，在IN1／IN3尚未徹底關(guān)斷時(shí)IN2／IN4就已開(kāi)始導通；因MOSFET全部跨接于電源兩端，故極端的時(shí)間內，可能會(huì )有很大的電壓電流同時(shí)加在4個(gè)MOSFET上，導致功耗很大，整體效率下降，而且器件溫升加劇，燒壞MOSFET，降低可靠性。為避免兩對MOSFET同處導通狀態(tài)，引起有潛在威脅的很大短路電流，應保證一對MOSFET導通和另一對MOSFET截止期間有一個(gè)很短的停滯死區時(shí)間（Dead-time），這個(gè)時(shí)間由Logic邏輯控制器控制，以有效保證一組MOSFET關(guān)斷后，另一組MOSFET再適時(shí)開(kāi)啟，減小MOSFET損耗，提高放大器效率。

　　但Deadtime設置不當，將出現如下問(wèn)題：

　?。?）輸出信號中將產(chǎn)生毛刺，造成電磁干擾，也即死區時(shí)間內，IN1／IN3都關(guān)斷。完全失控的輸出電壓將受到圖6（a）中體二極管電流的影響（體二極管電流的形成，參見(jiàn)下文EMI節），輸出波形中將出現毛刺干擾。

　?。?）Deadtime過(guò)大，輸出波形中出現的毛刺包含的能量將持續消耗在體二極管中，以熱能形式消耗能量，嚴重影響芯片工作穩定性和輸出效率。

　?。?）Deadtime過(guò)長(cháng)，影響放大器線(xiàn)性度，造成輸出信號交越失真，時(shí)間越長(cháng)，失真越嚴重。

　　2．2 EMI（Electro-Magnetic InteRFerence）

　　EMI主要由MOSFET體二極管反向恢復電荷形成，具體產(chǎn)生機理如圖6所示。

　　第一階段，MP1-MOSFET導通，有電流流過(guò)MOSFET和后級LPF電感；第二階段，全橋進(jìn)入Dead-time期間，MP1本身關(guān)斷，但其體二極管依然導通，保證后級電感繼續續流；第三階段，Deadtime期結束，MN1導通瞬間，若MP1體二極管存儲的剩余電荷尚未完全釋放，則瞬間釋放上一次導通期間未釋放的存儲電荷，導致反向恢復電流激增，此電流趨向于形成一個(gè)尖脈沖，最終體現在輸出波形上，如圖6（b）所示。因此，輸出頻譜會(huì )在開(kāi)關(guān)頻率以及開(kāi)關(guān)頻率倍頻處包含大量頻譜能量，對外形成EMI。

　　為抑制EMI，以降低輸出方波頻率，減緩方波頂部脈沖為目的，將一些內部EMI消除電路新技術(shù)應用于新產(chǎn)品中：

　?。?）Dither。擴展頻譜技術(shù)，即在規定范圍內，周期性調整三角波采樣時(shí)鐘頻率，基波和高次諧波避開(kāi)敏感頻段，使輸出頻譜能量平坦分散；

　?。?）增加主動(dòng)輻射限制電路，輸出瞬變時(shí)，主動(dòng)控制輸出MOSFET柵極，以避免后級感性負載續流引起高頻輻射。

　　2．3 印制板PCB布局設計規則

　?。?）因輸出信號含大量高頻方波，需將加入的低失真、低插入損耗LC濾波電容和鐵氧體電感低通濾波器件緊密靠