吳星華

摘要：本文從構(gòu)成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比、MOSFET的選擇與功率損耗、失真和噪音產(chǎn)生、音頻性能等D類音頻功率放大器設(shè)計(jì)有關(guān)的基礎(chǔ)問(wèn)題作分析,并例舉D類功率放大器參考設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制器 半橋和全橋拓?fù)?死區(qū)時(shí)間 柵極驅(qū)動(dòng)

    D功放是基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的開(kāi)關(guān)放大器，包括脈沖寬度調(diào)制器(幾百千赫茲開(kāi)關(guān)頻率)，功率橋電路，低通濾波器。這種類型的功放已經(jīng)展示出很好的性能，要想設(shè)計(jì)出并實(shí)現(xiàn)電源效率高于90%，THD低于0.01%，低電磁噪音的D類功率放大器，或者甚至包括能將高保真音質(zhì)技術(shù)引入的D類的放大器，其首要的問(wèn)題是掌握與D類音頻功放設(shè)計(jì)有關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)與原理，為此本文將作其概述。

1、 D類功放基本構(gòu)成

    目前有很多種不同種類的功放,如：A類、B類、AB類等。但D類功放與其不同的是基本是一個(gè)開(kāi)關(guān)功放或者是脈寬調(diào)制功放。為此,主要將對(duì)說(shuō)明這類D類功放作以說(shuō)明。

    在這種D類功放中，器件要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，大幅度減少了輸出器件的功耗，效率達(dá)90-95%都是可能的。音頻信號(hào)是用來(lái)調(diào)制PWM載波信號(hào)，其載波信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)輸出器件，用最后的低通濾波器去除高頻PWM載波頻率。

    眾所周知, A類、B類和AB類功放均是線形功放,那么D類功放與它們究竟有什么不同？我們首先應(yīng)作討論。圖1是D功放原理框圖，在一個(gè)線性功放中信號(hào)總是停留在模擬區(qū)，輸出晶體管(器件)擔(dān)當(dāng)線性調(diào)整器來(lái)調(diào)整輸出電壓。這樣在輸出器件上存在著電壓降，其結(jié)果降低了效率。

    而D類功放采用了很多種不同的形式，一些是數(shù)字輸入，還有一些是模擬輸入，在這里我們將集中討論一下模擬輸入。

    上面圖1顯示的是半橋D類功放的基本功能圖，其中給出了每級(jí)的波形。電路運(yùn)用從半橋輸出的反饋來(lái)補(bǔ)償母線電壓的變化。那末D類功放是如何工作的呢？D類功放的工作原理和PWM的電源是相同的，我們假設(shè)輸入信號(hào)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號(hào)，而這個(gè)音頻信號(hào)是正弦波，典型頻率從20Hz到20kHz范圍。這個(gè)信號(hào)和高頻三角或鋸齒波形相比可以產(chǎn)生PWM信號(hào)，見(jiàn)圖2a中所示。這個(gè)PWM信號(hào)被用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)，產(chǎn)生放大的數(shù)字信號(hào)，最后一個(gè)低通過(guò)濾波器被用在這個(gè)信號(hào)上來(lái)濾掉PWM載波頻率，重新得到正弦波音頻信號(hào)，見(jiàn)圖2b中所示。

2、 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比-看線性和D類不同

    值此將討論線性功放(A類和AB類)和D類數(shù)字功放的不同之處。這兩者之間主要的不同是效率，這也是為什么要發(fā)明D類功放的原因。線性功放就其性能而言具有固有的線性，但是即使是AB功放其效率也只有50%，而D類功放的效率很高，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中達(dá)90%。

    增益-線性功放增益不受母線電壓影響而變化，然而D類功放的增益是和母線電壓成比例的。這就意味著D類功放的電源抗擾比率是0dB,而線性的PSRR(電源供應(yīng)抑制比率)就很好。在D類功放中普遍用反饋來(lái)補(bǔ)償母線電壓變化。

    能量流向-在線性功放中，能量是從電源到負(fù)載，雖然在全橋D類功放中也是這樣，但半橋D類功放還是不同的，因?yàn)槟芰靠梢噪p向流動(dòng)而導(dǎo)致“母線電壓提升”現(xiàn)象產(chǎn)生，這樣會(huì)造成母線電容被從加載來(lái)的能量充電。這個(gè)主要發(fā)生在低頻上，如低于100Hz是這樣。

3、 D類功放與Buck降壓轉(zhuǎn)換器類拓?fù)洳町?/P>

    在D類功放和同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湓碜魅鐖D3所示。這兩個(gè)電路之間的主要不同有三：其一、對(duì)于同步降壓轉(zhuǎn)換器，其基準(zhǔn)電壓來(lái)自反饋電路的慢慢變化的穩(wěn)定電壓；而D類功放的參考信號(hào)是一個(gè)不斷變化的音頻信號(hào)。也就是說(shuō)，同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比是相對(duì)穩(wěn)定的，而D類以圍繞50%占空比不斷地改變。其二、在同步降壓轉(zhuǎn)換器中負(fù)載電流的方向總是朝著負(fù)載，即電感電流為單向,見(jiàn)圖3左所示。但是在D類功放中電流是朝著兩個(gè)方向的，即電感電流為雙向，見(jiàn)圖3右所示。最后的不同是MOSFET的優(yōu)化方式。同步降壓轉(zhuǎn)換器對(duì)于高低端的晶體管有著不同的優(yōu)化，較長(zhǎng)的周期需要較低的Rds(on)，而較短的周期需要低的Qg(柵極電荷)，即兩個(gè)開(kāi)關(guān)作用不同。但D類功放對(duì)兩個(gè)MOSFET有著相同的優(yōu)化方式。高低端器件有相同的Ras(on),即兩個(gè)開(kāi)關(guān)作用相同。

4、 D類功放中MOSFET的選擇

    在功放中要達(dá)到高性能的關(guān)鍵因素是功率橋電路中的開(kāi)關(guān)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的功率損耗、死區(qū)時(shí)間和電壓、電流瞬時(shí)毛刺等都應(yīng)該盡可能的最小化來(lái)改善功放的性能。因此，在這種功放中開(kāi)關(guān)要做到低的電壓降，快速的開(kāi)關(guān)時(shí)間和低雜散電感。

    由于MOSFET開(kāi)關(guān)速度