用D类放大器进行设计须知 - 模拟技术 - 电子工程师俱乐部

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作者：欧胜微电子有限公司 Eric Haber 　日期：2009-10

开关放大器或D类放大器在消费类音频设备中的应用已经快速上升到了一个很突出的水平，从MP3播放器、手机、游戏机、LCD-TV到家庭影院。D类放大器的最大竞争优势是特别高的功率转换效率，在实际应用中可高达85%～90%，而线性AB类放大器在典型的功率输出水平上通常只能达到25%。


在手持应用中，D类放大器的低功耗允许设计师可在保持很长电池充电间隔的同时提供很高的音频质量。对所有个人通信和音响设备来说，电池寿命是一个关键的性能指标。对于市电供电设备(如A/V视听产品和游戏机)，D类放大器的高功效可带来更低的散热量。从而使设计师可以采用更小的散热器来实现更简洁的外形、更低的材料和组装成本。事实上，精心设计的电源可以使每通道输出功率高达几瓦的应用无须散热片。

<strong>D类放大器解决方案</strong>

D类放大器的基本拓扑结构包括一个脉宽调制器、一个功率桥输出电路和一个低通滤波器。目前，市场上的D类放大器可以帮助用户节省很多设计工作，如屏蔽放大器开关操作所产生的电磁干扰和选择最合适的开关频率。提高开关频率可以降低输出滤波要求，但会因MOSFET栅极电容而导致更大的功率损失。因此，开关频率选择要求在外部元件数量和功率转换效率之间做一个平衡。功率桥的设计取决于所期望的D类放大器的输出功率。

例如，目前市场上已有D类耳机驱动器和D类扬声器驱动器，这些不同配置的一个关键不同是输出级的设计。设计用于扬声器的D类放大器能够产生小于1瓦到几瓦的输出功率，且无须散热片。这些IC为许多消费类应用提供了单芯片解决方案，从便携式多媒体播放器到游戏机和一些LCD-TV。在大多数这些应用，特别是手持产品中，单芯片解决方案是至关重要的。

不过，对于非常高的输出功率，一个D类放大器可以结合一个采用音频功率MOSFET构建的外部输出级来实现。该D类放大器必须提供一个合适的预放大器，所选的分立MOSFET必须是针对数字音频操作而优化的。

<strong>滤波</strong>

D类MOSFET H桥的输出是一个代表音频信号的方波。开关频率元件必须被衰减，以防止干扰和确保最终产品通过电磁兼容(EMC)认证。这要求一个截止频率略高于音频频带的低通滤波。因此，开关频率越高，这些元件的衰减就越大。这允许采用尺寸更小的外部滤波元件。

另一方面，MOSFET上的损耗会随著开关频率的提高而增加，从而降低效率，并导致更大的功耗和带来相关的热管理问题。特别是，在 MOSFET栅极电容上产生的开关损耗，会随著工作频率的提高而线性增加。因此，通常认定D类放大器输出级的设计要具有低损耗的MOSFET，并正确设置了开关频率，以满足电磁干扰(EMI)的特定要求。

用无滤波器的D类放大器连接到扬声器 (如手机扬声器)，对于尺寸和成本都很敏感的应用来说是一个明显的优势。当D类放大器输出靠近扬声器时，扬声器线圈的寄生电阻和电感可组成一个适当的LR 低通滤波器。可用于无滤波器配置的D类放大器的一个例子是欧胜的WM8960。如果D类放大器输出与扬声器的距离比较远，那么需要用一个铁氧体磁珠来产生少量附加的电感，以改善EMC性能。

<strong>电源设计</strong>

与线性A/B类放大器相比，采用D类放大器的设计师还必须更密切注意电源性能对音频输出质量的影响。因为D类输出是一个开关级，将电源轨直接有效地连接到音频输出后，电源上的音频频带波动将直接调制输出信号。因此，设计师必须确保音频频带上的高负载调节，或采取措施消除市电或音频带纹波的影响。

许多制造商提供浮动稳压器，必要时它可以添加到现有的电源中，以改善负载调节。对每个放大器输出采用一个独立的稳压器，具有减少音频通道之间串扰的附加优势。不过，一个额外的稳压器或一对稳压器增加了总的实现成本。此外，稳压器功耗降低了效率增益，而效率增益是采用D类放大器的一个关键理由。

此外，提高放大器的电源抑制比(PSRR)，降低了负载调节对音频输出信号的影响。添加PWM输出到模拟音频输入的反馈通过补偿电源电压的变化提高了PSRR。这可以实现高达80dB左右的PSRR，这已经非常接近便携式应用使用的差分AB类放大器的PSRR。不过，如果D类放大器输入信号是纯粹的数字音频，那么这一技术不适用。全数字D类放大器的PSRR是0分贝，而且设计师必须确保电源电压的小偏差调节。

电源的瞬态性能也应当考虑。为了精确地再现PWM波形，电源必须能够对突如其来的电流变化迅速反应。线性放大器在这方面的要求不高，因为输出级的带宽局限于音频范围。对于一个针对D类放大器设计的电源来说，导致糟糕瞬态响应的音频带外电压波动，将调制PWM信号，从而引入在音频输出端可听得见的谐波失真。

一个有帮助的技术是安置不同输出级的MOSFET在不同的开关中，这可减少峰值电源电流。例如，欧胜5～7.1声道数字功放控制器 WM8608，具有一个内嵌的‘PWM输出相’功能，它可在每个输出声道的PWM信号之间引入160ns的延迟，这样就具有PWM周期内分散开关瞬态电流的效果。在一个6声道的多声道系统中，这一技术可大幅降低最大瞬态负载电流，并降低串扰。