在消費(fèi)電子設(shè)備中發(fā)揮D類放大器優(yōu)勢(shì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

在MP3播放器、移動(dòng)電話、游戲控制臺(tái)、LCD TV和家庭影院等各種消費(fèi)電子音頻應(yīng)用中，開關(guān)放大器或D類放大器的重要性迅速提高。D類放大器最突出的優(yōu)點(diǎn)是效率非常高，在實(shí)際應(yīng)用中可高達(dá)85～90%，而線性AB類放大器在典型的收聽水平下的效率通常只能達(dá)到25%左右。

在手持應(yīng)用中，D類放大器的低功率耗散特性使得設(shè)計(jì)工程師可以在保證音頻性能的同時(shí)，延長(zhǎng)電池的充電間隔時(shí)間。對(duì)所有的個(gè)人通訊及音頻設(shè)備來說，電池壽命都是一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)，而對(duì)音視頻(AV)產(chǎn)品和游戲控制臺(tái)等由電源供電的設(shè)備來說，D類放大器的高功率效率使得設(shè)備可以工作在較低的電源電壓下，并減少發(fā)熱。因此，設(shè)計(jì)工程師可選用較小的散熱器以縮小產(chǎn)品尺寸，并降低材料成本和裝配成本。事實(shí)上，經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)的電源可以在無需加散熱器的情況下，提供每通道高達(dá)數(shù)瓦的輸出功率。

D類放大器解決方案

在D類放大器中，音頻信號(hào)與開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于音頻范圍的鋸齒波進(jìn)行比較(圖1)，產(chǎn)生一個(gè)與鋸齒波等周期的脈寬調(diào)制(PWM)方波。這個(gè)脈寬信號(hào)代表音頻信號(hào)的一個(gè)樣本。然后，PWM方波及其反相信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOSFET輸出級(jí)(通常為H橋),產(chǎn)生經(jīng)過放大的方波采樣信號(hào)。最后，該采樣信號(hào)由低通濾波器濾波之后，重新生成經(jīng)過放大的音頻信號(hào)。

由于MOSFET門電容的存在，提高開關(guān)頻率將在輸出級(jí)引起更大的損耗，但由于更高的開關(guān)頻率可以提高PWM調(diào)制器的有效分辨率(與Σ-Δ調(diào)制器的過采樣過程非常相似)，提高開關(guān)頻率也能帶來了一些好處，例如，可降低對(duì)輸出濾波的要求，提高音頻信噪比(SNR)。利用噪聲整形技術(shù)可以進(jìn)一步提高性能。以Wolfson公司的WM8608 D類放大器IC為例，當(dāng)脈沖頻率為384kHz(48kHz采樣速率的8倍)時(shí)，信噪比可達(dá)100dB以上(A加權(quán))。

保持內(nèi)部時(shí)鐘“干凈”至關(guān)重要，因?yàn)槿魏味秳?dòng)都會(huì)引起PWM信號(hào)邊緣的定時(shí)發(fā)生隨機(jī)變化，這會(huì)在模擬輸出中產(chǎn)生噪聲。因此，這個(gè)時(shí)鐘是通過片上低噪聲鎖相環(huán)(PLL)，由系統(tǒng)主時(shí)鐘生成的。只要主時(shí)鐘足夠“干凈”，這就可以消除大部分抖動(dòng)。因此，在D類放大器IC的內(nèi)部直接生成主時(shí)鐘也是可行的。這種方式將通過保持振蕩器和片上PLL之間的連接，來防止來自開關(guān)輸出級(jí)或其它地方的干擾影響時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量。此外，它不需要外部PLL濾波元件。為了使噪聲不影響為PLL供電的3.3V模擬電源，可在緊靠電源引腳的地方放置一個(gè)去耦濾波器。

圖1：D類放大器具有兩個(gè)輸出級(jí)：第一級(jí)為將PCM輸入轉(zhuǎn)變成調(diào)制方波的比較器；第二級(jí)為輸出端帶有低通濾波器的半橋轉(zhuǎn)換器。

功率級(jí)設(shè)計(jì)

功率橋(圖2)的設(shè)計(jì)依賴于放大器的期望輸出功率。例如，目前市面上已經(jīng)有帶耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的D類放大器IC，以及帶揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的D類放大器IC，輸出級(jí)設(shè)計(jì)是這些配置的主要差別之一。為驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器而設(shè)計(jì)的放大器可以提供從低于1瓦到高達(dá)數(shù)瓦的輸出功率，且無需散熱器。利用這些IC，可以為從便攜式媒體播放器(PMP)到游戲控制臺(tái)和一些LCD TV等許多消費(fèi)電子應(yīng)用提供單芯片解決方案。對(duì)于上述大部分應(yīng)用(特別是手持產(chǎn)品)來說，單芯片方案是不可缺的。

但為獲得非常高的輸出功率，可以把D類調(diào)制器IC與采用快速開關(guān)型功率MOSFET的外部輸出級(jí)相結(jié)合。它們可以采用分立元件，也可以集成在一個(gè)單獨(dú)的IC中。調(diào)制器必須提供一個(gè)相配的前置驅(qū)動(dòng)器，而輸出級(jí)MOSFET必須針對(duì)數(shù)字音頻操作而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)。功率MOSFET的導(dǎo)通電阻R_on會(huì)發(fā)熱并降低功率效率，因此該電阻應(yīng)盡可能小。為盡量減少用來驅(qū)動(dòng)MOSFET的電平轉(zhuǎn)換器中的功率消耗和發(fā)熱，還應(yīng)減小MOSFET門電容。出于同樣的考慮，減小電平轉(zhuǎn)換器的輸入電容也很重要。門電容高也將導(dǎo)致RC延遲，最終降低晶體管的開關(guān)速度。

一個(gè)不太明顯的潛在問題是晶體管之間開關(guān)特性的匹配。例如，如果一個(gè)NMOS器件的導(dǎo)通速度比其對(duì)應(yīng)PMOS器件的關(guān)斷速度快得多，那么兩個(gè)器件的導(dǎo)通時(shí)間可能會(huì)在信號(hào)邊緣出現(xiàn)一小段重疊。當(dāng)兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源本質(zhì)上是短路的，導(dǎo)致功率效率降低，熱耗散增加，并且有可能使電源電壓驟降而造成音頻信號(hào)失真。為保持信號(hào)完整性，輸出級(jí)(功率MOSFET和電平轉(zhuǎn)換器)的開關(guān)延遲應(yīng)該小于最小PWM脈沖寬度。

有一些廠商提供可直接連接到D類調(diào)制器IC輸出端的集成式輸出級(jí)。這些通常每個(gè)通道包含4個(gè)匹配的功率MOSFET的輸出級(jí)也能完成PWM信號(hào)的電平變換：將放大器輸出端的3.3V轉(zhuǎn)換成能夠控制功率器件的更高電壓。

圖2：帶有半橋式輸出級(jí)的D類放大器，但全H橋配置也很常見。