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作者：歐勝微電子有限公司 Eric Haber 日期：2009-10 開關放大器或D類放大器在消費類音頻設備中的應用已經快速上升到了一個很突出的水平，從MP3播放器、手機、游戲機、LCD-TV到家庭影院。D類放大器的最大競爭優勢是特別高的功率轉換效率，在實際應用中可高達85%～90%，而線性AB類放大器在典型的功率輸出水平上通常只能達到25%。 在手持應用中，D類放大器的低功耗允許設計師可在保持很長電池充電間隔的同時提供很高的音頻質量。對所有個人通信和音響設備來說，電池壽命是一個關鍵的性能指標。對于市電供電設備(如A/V視聽產品和游戲機)，D類放大器的高功效可帶來更低的散熱量。從而使設計師可以采用更小的散熱器來實現更簡潔的外形、更低的材料和組裝成本。事實上，精心設計的電源可以使每通道輸出功率高達幾瓦的應用無須散熱片。 D類放大器解決方案 D類放大器的基本拓撲結構包括一個脈寬調制器、一個功率橋輸出電路和一個低通濾波器。目前，市場上的D類放大器可以幫助用戶節省很多設計工作，如屏蔽放大器開關操作所產生的電磁干擾和選擇最合適的開關頻率。提高開關頻率可以降低輸出濾波要求，但會因MOSFET柵極電容而導致更大的功率損失。因此，開關頻率選擇要求在外部元件數量和功率轉換效率之間做一個平衡。功率橋的設計取決于所期望的D類放大器的輸出功率。 例如，目前市場上已有D類耳機驅動器和D類揚聲器驅動器，這些不同配置的一個關鍵不同是輸出級的設計。設計用于揚聲器的D類放大器能夠產生小于1瓦到幾瓦的輸出功率，且無須散熱片。這些IC為許多消費類應用提供了單芯片解決方案，從便攜式多媒體播放器到游戲機和一些LCD-TV。在大多數這些應用，特別是手持產品中，單芯片解決方案是至關重要的。 不過，對于非常高的輸出功率，一個D類放大器可以結合一個采用音頻功率MOSFET構建的外部輸出級來實現。該D類放大器必須提供一個合適的預放大器，所選的分立MOSFET必須是針對數字音頻操作而優化的。 濾波 D類MOSFET H橋的輸出是一個代表音頻信號的方波。開關頻率元件必須被衰減，以防止干擾和確保最終產品通過電磁兼容(EMC)認證。這要求一個截止頻率略高于音頻頻帶的低通濾波。因此，開關頻率越高，這些元件的衰減就越大。這允許采用尺寸更小的外部濾波元件。 另一方面，MOSFET上的損耗會隨著開關頻率的提高而增加，從而降低效率，并導致更大的功耗和帶來相關的熱管理問題。特別是，在 MOSFET柵極電容上產生的開關損耗，會隨著工作頻率的提高而線性增加。因此，通常認定D類放大器輸出級的設計要具有低損耗的MOSFET，并正確設置了開關頻率，以滿足電磁干擾(EMI)的特定要求。 用無濾波器的D類放大器連接到揚聲器 (如手機揚聲器)，對于尺寸和成本都很敏感的應用來說是一個明顯的優勢。當D類放大器輸出靠近揚聲器時，揚聲器線圈的寄生電阻和電感可組成一個適當的LR 低通濾波器。可用于無濾波器配置的D類放大器的一個例子是歐勝的WM8960。如果D類放大器輸出與揚聲器的距離比較遠，那么需要用一個鐵氧體磁珠來產生少量附加的電感，以改善EMC性能。 電源設計 與線性A/B類放大器相比，采用D類放大器的設計師還必須更密切注意電源性能對音頻輸出質量的影響。因為D類輸出是一個開關級，將電源軌直接有效地連接到音頻輸出后，電源上的音頻頻帶波動將直接調制輸出信號。因此，設計師必須確保音頻頻帶上的高負載調節，或采取措施消除市電或音頻帶紋波的影響。 許多制造商提供浮動穩壓器，必要時它可以添加到現有的電源中，以改善負載調節。對每個放大器輸出采用一個獨立的穩壓器，具有減少音頻通道之間串擾的附加優勢。不過，一個額外的穩壓器或一對穩壓器增加了總的實現成本。此外，穩壓器功耗降低了效率增益，而效率增益是采用D類放大器的一個關鍵理由。 此外，提高放大器的電源抑制比(PSRR)，降低了負載調節對音頻輸出信號的影響。添加PWM輸出到模擬音頻輸入的反饋通過補償電源電壓的變化提高了PSRR。這可以實現高達80dB左右的PSRR，這已經非常接近便攜式應用使用的差分AB類放大器的PSRR。不過，如果D類放大器輸入信號是純粹的數字音頻，那么這一技術不適用。全數字D類放大器的PSRR是0分貝，而且設計師必須確保電源電壓的小偏差調節。 電源的瞬態性能也應當考慮。為了精確地再現PWM波形，電源必須能夠對突如其來的電流變化迅速反應。線性放大器在這方面的要求不高，因為輸出級的帶寬局限于音頻范圍。對于一個針對D類放大器設計的電源來說，導致糟糕瞬態響應的音頻帶外電壓波動，將調制PWM信號，從而引入在音頻輸出端可聽得見的諧波失真。 一個有幫助的技術是安置不同輸出級的MOSFET在不同的開關中，這可減少峰值電源電流。例如，歐勝5～7.1聲道數字功放控制器 WM8608，具有一個內嵌的‘PWM輸出相’功能，它可在每個輸出聲道的PWM信號之間引入160ns的延遲，這樣就具有PWM周期內分散開關瞬態電流的效果。在一個6聲道的多聲道系統中，這一技術可大幅降低最大瞬態負載電流，并降低串擾。 |
