增强高功率D类音频放大器设计中的性能和可靠性
时间：2011-01-17 15:27:14
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[导读] 绿色能源标准、更低成本和更高音频保真度的需求正在推动D类放大器在高功率音频中的应用。传统的模拟实现（例如AB类拓扑结构）比较复杂且效率低，但由于其对音频的高保真性能，占据了高端音频市场。D类系统设计更简单
绿色能源标准、更低成本和更高音频保真度的需求正在推动D类放大器在高功率音频中的应用。传统的模拟实现（例如AB类拓扑结构）比较复杂且效率低，但由于其对音频的高保真性能，占据了高端音频市场。D类系统设计更简单、更高效，且提供媲美模拟放大器的高保真能力，正在迅速缩小在高端音频市场中的差距。
典型的D类音频系统先把模拟音频输入信号转换为数字PWM信号，在数字域进行功率放大，然后再把数字信号转换成模拟音频信号输出。如图1所示，输入的音频信号被送到一个脉冲宽度调制器（PWM），它由运算放大器和比较器组成，调制器通过生成与音频输入信号瞬时值成正比的调制占空比信号对音频数字化。
图1：D类放大器的基本框图
PWM信号进行适当的电平变换，然后送到栅极驱动器，这个驱动器控制由MOSFET（M1和M2）组成的双态功率电路。放大后的信号然后通过输出滤波器（消除PWM载波频率），最终仅仅放大了的模拟音频信号驱动扬声器。通过把滤波器输入信号反馈到错误放大器输入端，进行外部环路滤波，降低了失真和噪声，进一步提高了音频输出保真度。
D类放大器设计
功效
传统的模拟功率放大器依赖于线性放大电路，很容易造成高功率损失。而相比之下，D类放大器的功率效率可以达到90％或更高（这取决于设计）。这种高效率的益处是D类放大器技术所固有的，放大机制使用二进制转换(通常是功率MOSFET)。这些开关或者完全导通或者完全关闭，只有很少的时间花费在状态转换上。离散的开关动作和低MOSFET导通阻抗，减少了I2R损耗，提高了效率。然而，在实践中，开关转换时间（死区时间）必须足够长以避免两开关同时运行时效率急剧下降。
高保真
音频保真度可以被定义为声音再生后的完整性，对于音频系统，保真度一直是声音质量的代名词。同时其他指标也被用于衡量保真度，部分指标的测量对设计人员来说特别具有挑战性。最具挑战性的两个指标是：总谐波失真（THD）和噪声（N），统称为THD+N。
THD是对音频系统的精确测量，非常类似于高保真本身。再生信号的误差来自于其他元件产生的输入频率谐波，明显的区别于纯输出信号。THD是所有多余的谐波频率能量与基本输入频率能量的比值，典型的在给定系统的半功率下测量获得。THD性能对于大多数非高保真音频应用来说通常小于0.1%，挑剔的听众通常需要THD等级低至0.05％甚至更低。
输出噪声等级是对没有信号输入的放大器输出的本底噪声电平的测量。对于大多数扬声器来说，100-500µV的本底噪声在正常的收听距离内是听不到的，而达到1mV的本底噪声就太吵了，所以，THD+N是衡量放大器音频保真度的很好指标。
D类驱动器IC：特性和益处
可编程死区时间
D类放大器死区时间（即两个开关均处于关闭状态时的时间段）直接影响到效率和THD。过于短暂的死区时间会引起直通电流，降低效率，过长的死区时间又会增大THD，这会给音频保真度带来不利影响。
必须精确设定死区时间，找到使功率效率和THD都最优的“最佳位置”。当前典型高电压音频驱动器具有不精确的、重叠的死区时间设置（即1/n延迟值）。因此，多数设计人员都选择采用分立元件来处理死区时间，这不仅花费高而且耗时间。一个简洁且经济的解决方法是集成具有高精度死区发生器的栅极驱动器。
电平变换
由于输入电平转换的要求，实现双态D类放大器可能有一定难度。 在高功率D类放大器中，最好为功率MOSFET阶段提供高压供电轨(±VSS)。实际D类放大器设计中，±100Vdc电压可以在8Ω负载上产生高达600W的音频功率。
大多数现有高电压IC（HVIC）D类驱动器缺乏将低压调制部分转为高压电源部分的能力。能够提供电平转换的驱动器有也有其他不足，这使得它很难成为D类操作的理想选择（例如，驱动器输出接地端子采用负电压轨，要求输入驱动信号电平转换到负电源）。通过分立器件添加该项功能，成本高、设计难度大且占用大量空间，具备高电压双极供电接口的电平转换解决方案是D类设计的显著优势。
通常，大多数驱动器解决方案不提供输入输出隔离，也不提供驱动器间的隔离，因此需要额外元件提供电平转换机制。
图3：低压数字调制器与高压双极输出电源之间接口需要电平转换
可靠性和噪声抑制
现有的典型栅极驱动器IC在20V/ns或更大的高电压瞬变时容易发生锁闭，通常情况下对高转换速率瞬变噪声（从功率级反馈耦合到精确数字输入端）没有抑制作用。在试图获得最佳音频保真度且保持本底噪声尽可能低时，缺乏噪声抑制是其主要劣势。
高频操作
D类栅极驱动器的最佳特性之一是能够在高开关频率下运行，且传播延迟最小。这些特性使得在反馈路径上的总循环延迟非常低，获得尽可能好的噪声性能。更高频率下运行也提高了“循环增益”，改善了放大器的失真性能。现有的大多数HVIC驱动器仅支持最高1MHz的调制频率。
集成度
在当今竞争激烈的全球市场上，集成了所有这些特性的解决方案，将为D类放大器设计人员提供很大便利，他们可以通过缩短设计时间、减少元件数量、降低插入成本以及因较多器件数量而带来的较低可靠性，从而使其产品尽早上市。
小结
D类放大器的特性远远超越了传统模拟放大器，包括更低的THD、更小的电路板空间、更高的功率效率和更低的BOM成本。高集成的栅极驱动器IC对系统构架和音频性能都有显著的积极作用。Silicon Labs公司的Si8241/8244音频驱动器是首个集成所有特性到单一IC封装的高功率D类放大器解决方案。这些栅极驱动器的优点包括：为最低THD和最佳功效提供高精度死区时间设置；无需为输入信号电平转换而增加复杂设计和器件数量；隔离的输出驱动器，简化双态开关器实现；对瞬变电源有较高抑制力。要想了解有关Si824x D类音频驱动程序的更多内容，以及如何利用这些栅极驱动器为高保真音频市场提供新的设计思路，请访问：www.silabs.com/audio-driver。
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