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新型绿色能效D类音频放大器设计应用

作者:时间:2011-09-13来源:网络收藏

引 言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/166055.htm

  多媒体时代,传统A类、B类、AB类线性模拟因效率低,能耗大,已不能满足电子视听类LCD/PDP/OLED/LCOS/PDA等节能、高效、体积小等新发展趋势,而非线性件Class-D类功放因具备节能、高效率、高输出功率、低温升效应、占用空间小等优点,将被纳入越来越多新产品中。D类架构上分半桥非对称型和全桥对称型,而全桥类相对半桥型具有高达4倍的输出功率,更为高效;从信号适应上分模拟型和I2S全数字型,因全数字型尚处发展阶段,成本高,而模拟型因成本优势将在未来几年处于主流。本文重点剖析了全桥模拟型D类功放要素,实现了一种基于NXP公司模拟D类功放TFA9810T电路,并重点对节能高效、高输出功率、低温升效应、PCB布局、EMI抑制几个方面进行总结分析。

  1 D类功率原理特点

  1.1 D类系统结构

  D类放大器由积分移相、PWM调制模块、G栅级驱动、开关MOSFET电路、Logic辅助、输出滤波、负反馈、保护电路等部分组成。流程上首先将模拟输入信号调制成PWM方波信号,经过调制的PWM信号通过驱动电路驱动功率输出级,然后通过低通滤波滤除高频载波信号,原始信号被恢复,驱动扬声器发声,如图1所示。

  1.2 调制级(PWM-Modulation)

  调制级就是A/D转换,对输入模拟信号采样,形成高低电平形式数字PWM信号。图2中,比较器同相输入端接音频信号源,反向端接功放内部时钟产生的三角波信号。在音频输入端信号电平高于三角波信号时,比较器输出高电平VH,反之,输出低电平VL,并将输入正弦波信号转换为宽度随正弦波幅度变化的PWM波。这是D类功放核心之一,必须要求三角波线性度好,振荡频率稳定,比较器精度高,速度快,产生的PWM方波上升、下降沿陡峭,深入调制措施参见文献[2]。

  1.3 全桥输出级

  输出级是开关型放大器,输出摆幅为VCC,电路结构如图3所示。将MOSFET等效为理想开关,关断时,导通电流为零,无功率消耗;导通时,两端电压依然趋近为零,虽有电流存在,但功耗仍趋近零;整个工作周期,MOSFET基本无功率消耗,所以理论上D类功放的转换效率可接近100%,但考虑辅助电路功耗及MOSFET传导损耗,整体转换效率一般可达90%左右。因为转换效率很高,所以芯片本身消耗的热能小,温升也才很小,完全可以不考虑散热不良,因此被称为绿色D类功放。

  对全桥,进一步减小导通损耗,要使MOSFET漏源的导通电阻RON尽量小。选取低开关频率和栅源电容小的MOSFET,加强前置驱动器的驱动能力。

  1.4 LPF低通滤波级

  LPF滤波器可消除PWM信号中电磁干扰和开关信号,提高效率,降低谐波失真,直接影响放大器带宽和THD,必须设置合适截止频率和滤波器滚降系数,以保证音频质量。对于视听产品,20 Hz~20 kHz为可听声;低于20 Hz为次声;高于20 kHz为超声。中一般设置截止频率为30 kHz,这个频率越低,信号带宽越窄,但过低会损伤信号质量,过高会有噪声混入。常用LPF滤波器一般有巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、考尔滤波器三种。巴特沃思滤波器在通带BW内最大平坦幅度特性好,易实现,因此视听产品多采用等效内阻小,输出功率大的LC二阶巴特沃思滤波器如图4所示。

  1.5 负反馈

  负反馈是LPF电路,将检测到的输出级音频成分反馈到输入级,与输入信号比较,对输出信号进行补偿、校正、噪声整形,以此改善功放线性度,降低电源中纹波(电源抑制比,PSRR)。负反馈可减小通带内因脉冲宽度调制、输出级和电源电压变化而产生的噪声,使输出PWM中低频成分总能与输入信号保持一致,以得到很好的THD,使声音更加丰富精确。

  1.6 功耗效率分析

  D类效率在THD7%情况下,可达85%以上效率,远高于普及使用的最大理论效率78.5%的线性功放。根本原因在于输出级MOSFET完全工作在开关状态。理论上,D类功放效率为:

  假设D类功放MOSFET导通电阻为RON,所有其他无源电阻为RP,滤波器电阻为RF,负载电阻为RL,则不考虑开关损耗的效率为:

  式中:fOSC是振荡器频率;tON和tOFF分别是MOSFET开、关频率。此时效率为:

  由上述公式得知,D类功放中负载RL,相对其他电阻,比值越大效率越高;MOSFET作为续流开关,所消耗的功率几乎等于MOSFET导通阻抗上I2RON损耗和静态电流总和,相比较输出到负载的功率几乎可忽略。所以,其效率远高于线性功放,如图5所示。非常适应现今绿色节能的要求,适合被平板等数字视听产品规模使用。

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