新一代的高性能低功耗音频放大器

简介：

由于智能手机和平板电脑等移动设备的激增，为了延长电池寿命，必须降低功耗。迄今为止，重点主要放在处理器上，它是电路板上功耗最大的器件。目前市场对低功耗音频产品有新的需求。但移动设备基本上是一种多媒体消费类设备。而在过去(约20世纪初)，手机的主要功能是电话 – 使用音频信号路径的时间在设备使用时间中所占比例非常小。因此，由于音频信号路径对设备的整体功耗没有很大的影响，所以其功耗并不重要。相比之下，目前平板电脑/智能手机是音频/多媒体消费(音乐、电影、广播、有声读物等)的主要设备，也是驱动低功耗音频解决方案的市场动力。本文将简要回顾音频放大器的历史和当前先进的音频放大器，然后对新唐科技(Nuvoton)的新一代超低功耗音频放大器所采用的新颖架构和电路技术进行了描述。

发展现状:

直到90年代后期，音频放大器主要采用大家所熟知的EE101 A类、B类和AB类模拟放大器拓扑。特定应用下，通过在性能(THD等)、功耗与成本之间进行权衡来决定工程拓扑的选择。功耗在最低25%(A类)到通过牺牲性能(AB类)来实现的最高78.5%(理论值)的范围内不等。由于终端设备主要是交流供电(接收器、便携式立体声录放机、电视)，功耗本身并不是大问题。

在90年代中期，多种市场力量融合起来，对音频放大器的功耗提出了更高的要求。对于大功率终端，家庭影院越来越流行。若要以低功耗实现6个大功率路径，则需要使用庞大的电源和大型散热片，并且要考虑与之相关的成本和外形因素。与此同时，平板电视首次在市场亮相。这种电视的卖点是“轻薄”，甚至没有空间安装散热片来为过多的功率进行散热。而且在这十年中，手机、iPod的问世对电池寿命提出了更高的要求。所有这些市场的发展都要求音频放大器具有更低的功耗，而不影响音频性能。答案就是新一类的放大器 - D类放大器。D类放大器号称具有100%的功效理论值和超过90%的实际功效。虽然D类拓扑已经问世几十年，其主流应用仍需考虑成本、性能和EMI的问题，因此仅限于高端低音炮市场。

如下图1说明了10 W放大器的功耗与额定输出功率的典型曲线。

图1：AB类和D类的输出功率与功效的曲线图(10 W放大器)

不管是为了节省电量还是实现更小的外形尺寸，D类所提供的功效都使其成为要求低功耗的市场的首选拓扑。第一代D类技术得到了广泛应用，使拓扑的一些缺点和用来克服这些缺点的新方法成为业界关注的重点。

D类放大器拓扑

最基本的D类放大器拓扑采用脉宽调制(PWM)与三角波(或锯齿波)振荡器。图2展示了半桥D类放大器的简化框图。它包括1个脉冲宽度调制器、2个输出MOSFET和1个用于恢复被放大的音频信号的外部低通滤波器。MOSFET交替地与输出节点和地连接，可用作电流舵(current-steering)开关。由于输出晶体管将输出切换到VDD或地，D类放大器的最终输出为高频方波。大多数D类放大器的开关频率通常为250 kHz至1 MHz。将输入音频信号比作内部生成的三角波振荡器，通过输入音频信号来调制输出方波的脉宽。由此产生的方波占空比与输入信号的电平成比例。无输入信号时，输出波形的占空比等于50%，与输入信号成比例地增大或减小。

图2：半桥模式下的D类放大器

D类放大器还会使用全桥输出级。全桥电路使用2个半桥输出级，并以差分方式驱动负载。这种负载连接方式通常称为桥接负载(BTL)。正如图3中所示，全桥结构是通过转换负载的导通路径来工作的。因此负载电流可以双向流动，无需负电源或隔直电容。

图3：全桥/ BTL模式下的D类放大器

传统D类放大器的缺点：

1 固定开关损耗使静态电流更高，使小功率输出的功效更低。D类放大器本质上是开关电路。在其 基本架构下，它们基于对音频信号编码的模式在ON和OFF之间切换。将开关输出通过低通滤波器传输至负载(扬声器)，从而恢复被放大的音频信号。参见上面的图3。

从理论上讲，由于输出设备的状态不是ON就是OFF，开关不会使功率下降，所有功率均转移至负载(功效为100%)。在实际应用当中，开关是由MOSFET和一个有限电阻(漏源导通电阻)来实现的。漏源导通电阻越低，功效越高。一个具有桥接配置(半桥)的8 Ω电阻和0.4 Ω漏源导通电阻的典型扬声器可提供约90%的功效。(参见图2)。然而，低漏源导通电阻意味着更大的移动设备，反之则意味着更高的输入电容。每次开关时都需要对电容进行充电/放电，导致更高的开关损耗(此损耗没有模拟放大器拓扑中的损耗明显)。更糟的是，从广义上讲，此损耗为“固定损耗”，与输入信号无关。事实上，由于开关放大器即使在没有任何信号的情况下也会进行开关动作，因此固定损耗是电源的恒定损耗。实际上，虽然D类放大器在全功率下的效率为90%，固定损耗会使小功率下的功效大大降低。这成为实际应用中的一个问题，全功率下不仅仅是正弦波。不同流派的音乐具有6-10个波峰因数，大多数听到的音都是以小功率发出，因此降低了放大器的功效。

2 EMI滤波 - D类放大器的一个众所周知的缺点是作为开关放大器，它们具有电磁干扰，对AM频段和手机接收产生干扰。目前通过使用滤波器，以及大功率应用中用金属外壳将输出开关设备和输出滤波器封装起来解决这个问题。

3 BOM成本 - 传统的D类架构需要低通滤波器来恢复被放大的音频信号。这会增加放大器系统实现的BOM成本。许多制造商已经取得了最新的进展，可提供无滤波器的D类放大器，但一般都是以降低性能或增加EMI为代价。

新一代的D类放大器：

新唐科技硅谷研发中心的工程师率先着手，通过两年深入的努力来解决上节中所描述的缺点。他们使用全球资源来调查各种可能的解决方案来定义和设计新一代的D类放大器。IC框图如下面的图6所示。新唐科技推出的新型D类放大器系列，NAU系列，采用了这种技术和电路的设计思路(专利待批)。以下对新唐科技所采用的解决D类问题的创新方法进行了简要的技术说明：

1 低静态电流 – NAU系列可为输出功率提供超低静态电流，树立了崭新的标准。 NAU8223是一款3 W的立体声D类放大器，具有每通道1.1 mA的静态电流。目前，业内的静态电流平均为每通道3 mA!

2 出色的EMI性能和无滤波器架构 - NAU8223和NAU8224立体声3 W D类音频放大器无需外部输出滤波器，并提供出色的EMI性能，如下面的图5所示。新唐科技的D类放大器采用BD调制(也称为三元式或无滤波器调制)。采用BD调制时，2个扬声器驱动器输出的相位正好相互抵消。在BD调制下，2个比较器接收相同的载波信号(同相)，输入信号异相。如图4所示，一个比较器接收输入信号INP，另一个比较器接收异相信号INM。两者都与相同的参考波形VREF进行比较。OUTM和OUTP是2个扬声器输出，它们以BTL(桥接负载)配置来驱动扬声器。因此，当任一输入没有信号时，输出平均电压则非常接近于0。当信号在正周期下时，一个扬声器输出的占空比大于50%，另一个小于50%。当输入信号在负周期下时，输出的占空比相反。因此，总体而言，在开关操作期间，负载上的输出电压为零，从而降低了输出电流和功耗。由于开关功耗较低，因此扬声器可用作其本身的LC滤波器，从而无需额外的LC滤波器。开关频率元器件仍然存在，但由于其频率较高，扬声器为其提供非常高的阻抗，并且使其损耗大大降低，并且不被人所听到。

此外，NAU8223和NAU8224具有良好的抗干扰性能和出色的PSRR(频率为217Hz时大于85 dB)，是无线和AM频段应用的理想的D类音频放大器。

图4：BD调制方案波形

图5：带30 cm导线的新唐NAU8223/NAU8224立体声3 W D类射频发射

3 防削波(Anti-Clip)控制功能 - 此功能用于控制输出，以获得无失真的最大输出电平。当输入端加载会引起削波和失真的较大输入信号时，启用防削波功能。防削波功能将放大器的增益降低至适当值，使差分信号输出端上不会引起削波。防削波功能同时监控电源电压，以确保不会由于电源电压的变化而引起削波。这使音质得到显著的提高，并保护扬声器不受损坏。

图6：单声道D类放大器

图7：采用WLCSP封装的单声道D类

展望未来：

随着移动平台的迅猛发展和手机逐渐成为音频内容的主要传递设备，整个音频信号路径(不只是放大器)对低功耗音频解决方案具有持续的市场需求，为实现这些需求的新型半导体解决方案提供了动力。