基于NBDD的高效数字音频功率放大器设计

摘要：数字音频功率放大器具有体积小、重量轻、可靠性高的特点，但其并非工作在理想状态下。为进一步提高数字功放的效率，通过将双边带三电平自然采样法(NBDD)脉宽调制技术引入数字功放的脉宽调制设计，并将Dead-Time技术引入开关放大器的设计中，提出了高效数字音频功率放大器的优化设计方案，从而提高了整机的失真度指标，降低了低通滤波器设计阶数、改善了信噪比。
关键词：数字音频功率放大器；NBDD；Dead-Time；开关放大器

0 引言
    近年来，随着数字化优势的体现，很多尚未数字化的领域正在逐步加入到数字化的行列中来。数字化处理后的语音信号在到达模拟功率放大器之前，必须进行D／A转换，以便被功率放大器放大，因此从完全数字化的进程看，功率放大器数字化模式势在必行。
    功率放大器通常根据其工作状态分为5类：即A类、AB类、B类、C类和D类。其中，前4类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。D类放大器比较特殊，它只有通和断两种状态，因此它不能直接输入模拟音频信号，而是需要将信号进行某种变换后再放大。
    数字音频功率放大技术就是采用了全新的放大体制，功放管工作于D类开关状态，与传统模拟功放相比，具有体积小、功率大，与数字音源无缝结合、能有效降低信号间的传递干扰、实现高保真等优势，具有广阔的发展前景。
    本文提出了高效数字功率放大器的优化设计方案，将双边带三电平自然采样法(NBDD)脉宽调制技术引入数字功放的脉宽调制设计中，降低了低通滤波器设计阶数、改善了信噪比；通过将Dead-Time(死区时间)技术引入开关放大器的设计中，减小了开关放大器的串通损耗和漏源电容损耗。

1 优化方案实现原理
    此方案采用的是两个独立的通道，可单独、同时完成信号的数字处理和功率放大，并可桥接成一个通道进行信号的数字处理和功率放大。每个通道工作在半桥工作模式下，又可桥接成全桥工作模式进行工作。其实现原理如图1所示。

    输入的模拟音频信号首先经隔离放大器进行放大，同时进行低通滤波。低通滤波器采用的是二阶Butterworth低通滤波器，截止频率为37 kHz，3 dB带宽为22 kHz。滤波过后的信号与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器进行误差放大，输出放大的误差音频信号。将放大的误差信号和载波信号送到脉宽调制器，进行NBDD调制产生PWM信号。载波信号是由三角波发生器产生的高线性度的模拟三角波信号，频率为230～280 kHz可调。PWM信号插入Dead-Time后送到浮动电源和自举相结合的驱动器进行预放大，放大了的PWM信号驱动由场效应管组成的半桥开关放大器进行功率放大，输出功率PWM信号。经开关放大器放大的PWM信号被采样作为反馈信号送到误差放大器。功率PWM信号送到低通滤波器还原出模拟音频信号。当需要桥接单通道输出时，只需在两半桥输入端送入等幅反相的音频信号，并将负载接于两半桥输出端即可。为了增加模块的可靠性，设计时同时考虑了各种误操作对模块造成的损坏，并提供了故障指示功能，帮助整机及时准确查找问题，便于模块进行维修。

2 NBDD调制技术的实现
    NBDD调制技术的具体实现如图2所示。

    输入的模拟音频信号首先经隔离放大器进行放大，再与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器，输出放大的误差音频信号。将放大的误差信号和载波信号送到脉宽调制器，进行NBDD调制。载波信号是由三角波发生器产生的高线性度的模拟三角波信号,频率为230～280 kHz。
    此处的重点在于实现高线性度的三角波发生器和高速比较器。三角波的非线性会直接影响PWM调制器的线性度，整机的失真度；为了能良好的还原音频，PWM开关频率不能低于200 kHz，因此需要采用高速比较器。调制方式不仅影响到音频带内的性能指标，而且对放大器系统的高频辐射性能(EMC)有着决定性的影响。因此从音频输入至脉宽编码完成链路上，所采用的音频放大器、误差放大器应具备高的输入阻抗、低的工作电流、宽的增益带宽、快的上升速度、良好的共模抑制比、低的漂移电压等技术指标；比较器应具备响应速度快、功耗低、输入偏移电压小等特点。

3 引入Dead-Time的开关放大器优化设计
    开关放大器的主要特点就是高效，因此其优化设计主要应体现在进一步减小各类损耗，真正体现其高效率的特点。
    通过串通损耗产生的原理，可以在栅极驱动电压上想办法，在上管完全截止后再让下管开始导通，在下管完全截止后再让上管开始导通，这样就可以减小串通损耗，同时又可以减小结电容Cds损耗。这种为了解决串通损耗而在两驱动信号之间按“延迟导通，正常截止”的原则，加入的时间称为Dead-Time(死区时间)，原理详见图3。图中分析的是工作在一个开关臂上的两个N沟场效应管。

4 各项指标测试
    指标测试主要采用的是国际上通用的音频专用测试仪Audio Precision System One。Audio Precision System One是由全球最大的音频测试仪器制造商美国Audio Precision公司制造。
    电源经电流表送到被测样机的电源插座上；电源输出的正、负端间并联电压表，电压表和电流表分别用于测试电源输出的电压和电流，从而可以计算出电源输出功率。被测样机的音频输入端接音频测试仪的音频输出端，功率音频输出端分别连接音频测试仪和标准功率电阻，被测样机输出的功率信号送到标准负载上，同时送到音频测试仪上进行分析测试。由计算机控制选择音频测试仪Audio Precision System One的输出信号频率、幅度等特性，并选择需要测试的指标，同时将测试结果显示到计算机上。
4．1 功能指标测试
    将模块按正常情况进行连接。如无特殊要求音频输入频率为1 kHz的正弦波，电源电压为±120 V。测试插座XSZ的8脚，如为高电平(+SV)则表示模块处于保护状态，音频输出脚无信号输出；如为低电平(OV)则表示模块处于正常工作状态，音频输出脚有信号输出。
    测试项目及测试情况分别为：
    (1)静音控制：输入静音信号，音频输出脚无信号输出，XSZ的8脚为高，模块处于保护状态，响应外部静音控制；
    (2)电源过压保护：将+120 V电源升至+128 V，负电源保持不变，模块进入保护状态；将-120 V电源降至-128 V，正电源保持不变，模块进入保护状态；
    (3)电源欠压保护：将+120 V电源降至+100 V，负电源保持不变，模块进入保护状态；将-120 V电源升至-100 V，正电源保持不变，模块进入保护状态；
    (4)电源反接保护：将电源正负反接，模块无损坏进入保护状态；
    (5)电源过流保护：输出标准负载换为2 Ω，加大输入音频信号幅度，当输出功率超过2 800 W时，音频输出脚无信号输出，XS2的8脚为高，模块处于保护状态；
    (6)高温保护：用高温温箱对模块进行加热，当模块内部温度达到+80℃时，音频输出脚无信号输出，XS2的8脚为高,模块处于保护状态；
    (7)输出对地保护：将模块输出音频脚与地短接，音频输出脚无信号输出，XS2的8脚为高，模块处于保护状态；
    (8)输出短接保护：将模块输出音频脚相互短接，音频输出脚无信号输出，XS2的8脚为高，模块处于保护状态；
    (9)保护指示：当模块进入任一保护态时，XS2的8脚为高，模块处于保护状态。
    从以上测试结果可以看出本文数字功率放大器在静音控制、电源过压保护及电源欠压保护等多方面都可以满足稳定工作的要求。
4．2 技术指标测试
    音频输入频率为1 kHz的正弦波，电源电压为±120 V。用计算机控制选择音频测试仪Audio Precision System One的设置，根据不同的指标测试选择测试项，测试结果如表1，图4～图6所示。

4．3 测试结果分析
    将测试指标与传统模拟功放和国外一流数字功放制造厂家进行对比，结果如表2所示。由对比结果可以看出样机的各项性能指标与国际知名厂家的专业功放基本一致。

    高效数字功率放大器优化设计方案通过样机的研制开发验证合理可行，且实现了音频信号高效率、高指标放大，在大功率领域的开发取得了较为理想的效果，采用NBDD脉宽调制方式，实现了高质量脉宽调制，完美再现脉宽调制波形，失真度指标高，为提高系统可靠性所采取的各种保护措施都取得了预期的效果，提高了系统的可靠性。

5 结语
    采用NBDD调制方式对音频信号进行脉宽调制采样，加入Dead-Time后，再经由浮动电源和自举相结合的驱动方式对脉宽调制信号进行放大，放大了的脉宽调制信号驱动半桥工作模式下的开关放大器进行功率放大，实现了高效率数字音频功率放大器的优化设计，在方案设计中所采取的各种优化设计取得了一定的效果，分析计算方法合理可行。