4通道D類(lèi)音頻放大器原理及設(shè)計(jì)

在多通道設(shè)計(jì)中，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)每一條通道都會(huì)消耗更多的功率、更多的元件，并占用更大的電路板空間。結(jié)果導(dǎo)致溫度相關(guān)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，并且在更高的成本下聲音質(zhì)量和可靠性卻較低。

因此，為盡可能減少高性能多通道音頻系統(tǒng)的功耗和簡(jiǎn)化相關(guān)的溫度管理，設(shè)計(jì)工程師一直希望借助能在寬輸出功率水平范圍下提供超過(guò)90%效率的高效D類(lèi)音頻放大器。相比之下，適用于這個(gè)市場(chǎng)的傳統(tǒng)AB類(lèi)放大器其效率只有50%左右，且效率會(huì)隨著輸出功率水平下降而快速下滑。同樣地，工程師還不斷研究集成式IC的效能，以減少元件數(shù)目和電路板面積。

不論是汽車(chē)娛樂(lè)還是家庭影院系統(tǒng)市場(chǎng)，消費(fèi)者始終要求有更多的通道和揚(yáng)聲器，每個(gè)通道還要能夠處理更高的音頻功率水平。除了更高的瓦特?cái)?shù)，音響發(fā)燒友還不斷要求改善聲音質(zhì)量，減少失真和噪聲，以及通道之間出色的隔離效果。

4通道驅(qū)動(dòng)器

國(guó)際整流器公司(IR)根據(jù)這種需求，把先進(jìn)DirectFET功率MOSFET與創(chuàng)新的集成音頻驅(qū)動(dòng)器結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種4通道D類(lèi)音頻放大器設(shè)計(jì)，其性能可與單通道解決方案相媲美。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，電路采用了集成式音頻驅(qū)動(dòng)器IRS2093M，該器件將4個(gè)高壓功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器的通道整合到同一塊芯片上。此外，這款200V的器件包含專(zhuān)為半橋拓樸中的D類(lèi)音頻放大器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的片上誤差放大器、模擬PWM調(diào)制器、可編程預(yù)置死區(qū)時(shí)間以及可靠的保護(hù)功能(圖1) 。除了可以防止功率MOSFET出現(xiàn)直通電流和電流沖擊，可編程預(yù)置死區(qū)時(shí)間還實(shí)現(xiàn)了功率和通道數(shù)量可擴(kuò)展的功率設(shè)計(jì)。這些保護(hù)功能包括帶有自動(dòng)復(fù)位控制功能的過(guò)流保護(hù)(OCP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護(hù)。

圖1：這款200V器件除了把高壓功率MOSFETS驅(qū)動(dòng)器的4條通道集成到同一芯片上，還配備了片上誤差放大器、模擬PWM調(diào)制器、可編程預(yù)置死區(qū)時(shí)間和先進(jìn)保護(hù)功能。

為了在不同通道之間實(shí)現(xiàn)一流的隔離，音頻驅(qū)動(dòng)器部署了已獲肯定的高壓結(jié)隔離技術(shù)和采用Gen 5 HVIC工藝的浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器。這樣就在裸片上實(shí)現(xiàn)了良好的內(nèi)部信號(hào)隔離，這使得電路可以同時(shí)處理更多通道的信號(hào)，從而把每個(gè)通道的基本噪音保持在非常低的水平，同時(shí)盡可能減小了通道之間的串?dāng)_。

接著，我們建構(gòu)了如圖2所示的4通道半橋D類(lèi)音頻放大器電路，它結(jié)合了集成式D類(lèi)音頻控制器和柵極驅(qū)動(dòng)器IRS2093M，并搭配8個(gè)IRF6665 DirectFET功率MOSFET以及幾個(gè)無(wú)源器件。該多通道音頻放大器的每個(gè)通道都被設(shè)計(jì)成能夠提供120W的輸出功率。為便于使用，該電路包含了所有必需的內(nèi)部管理電源。

圖2：這款4通道半橋D類(lèi)音頻放大器設(shè)計(jì)采用了集成式D類(lèi)音頻控制器和IRS2093M柵極驅(qū)動(dòng)器，以及8顆IRF6665 DirectFET MOSFET和一些無(wú)源器件。

為達(dá)到最佳整體性能，IRF6665功率MOSFET特別針對(duì)D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。除了提供低通態(tài)電阻，還對(duì)功率MOSFET做了改進(jìn)以獲得最小柵極電荷、最小體二極管反向恢復(fù)和最小內(nèi)部柵極電阻。此外，與傳統(tǒng)的引線(xiàn)鍵合封裝相比，DirectFET封裝可提供較低的寄生電感和電阻。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，經(jīng)優(yōu)化的IRF6665 MOSFET能夠提供高效率和低總諧波失真(THD)以及電磁干擾(EMI)。

特性和功能

為了以更小的空間提供最高性能和可靠的設(shè)計(jì)，這個(gè)4通道D類(lèi)音效放大器解決方案采用自振蕩PWM調(diào)制。由于這種拓樸相當(dāng)于一個(gè)模擬二階sigma-delta調(diào)制，且D類(lèi)開(kāi)關(guān)級(jí)在環(huán)內(nèi)，因此在可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)的誤差根據(jù)其工作特性被轉(zhuǎn)移到不可聽(tīng)頻率之上，從而降低了噪聲。同時(shí)，sigma-delta調(diào)制允許設(shè)計(jì)師執(zhí)行足夠的誤差校正來(lái)進(jìn)一步降低噪聲和失真。