具有成本竞争力的D类放大器音频方案的差异化设计

作者：国际整流器公司 Jun Honda   来源：电子系统设计    点击数：10   更新时间：2008-4-7
D类放大器是实现小体积和大功率音频输出的现代消费类电视和音频产品的关键元件，但构建一个高效率的D类放大器方案并不简单。特别是功率开关级的设计，对不熟悉功率电子设计的音频设计工程师来说是一个很大挑战。
现成的D类放大器芯片可以解决这些功率设计难题，但同时也限制了人们优化放大器的其它性能，设计工程师将无法通过增强性能来实现产品的差异化。
最理想的情况是向音频设计工程师提供实现功率电子功能的一站式解决方案，从而让他们集中精力发挥在反馈路径和输出滤波器等领域的专长。
D类放大器设计的灵活性
为帮助理解D类放大器解决方案如何提供这些现成的功能性和设计灵活性，图1给出通用D类放大器的功能模块图。输入音频信号与高频锯齿波进行比较，产生代表输入信号的脉宽调制方波。锯齿波频率被设置成比最高音频信号的频率高很多，一般在400kHz左右，以减少失真并简化输出滤波器设计。

图1：通用D类放大器的功能模块图。
然后，采用经过脉宽调制的音频信号驱动放大器输出级，这个输出级电路可能是全桥MOSFET阵列，也可能是半桥MOSFET阵列。输出拓扑的选择取决于包括成本、输出功率、电源设计和信号特性在内的系统要求。例如，半桥输出级要求正、负电压轨，而全桥输出级电路可在单电源下工作，在给定的开关速率下也能产生更大的输出功率。
无论是哪种情况，都要针对D类音频放大器对输出MOSFET特性进行优化，以最大化效率，并确保很低的总谐波失真加噪声(THD+N)和EMI。这要求低的导通电阻，以实现最终产品中的高功率密度，同时还要求优化的栅极充电和体二极管反向恢复特性经过，以实现快速、高效的开关。
放大的音频信号包含在MOSFET桥输出的方波信号内，因此需要用低通滤波器滤除音频外的频率，恢复出纯音频信号来驱动扬声器。
开关级电路设计的挑战
对没有必要熟悉开关电源电子设计原理的设计工程师来说，为MOSFET桥产生栅极驱动信号的D类放大器功率开关级设计是他们面临的最大挑战。为获得优异的音频性能，精确的栅极控制是必要的，这要求脉宽失真小，高端和低端驱动信号之间匹配良好，以保持良好的线性。
死区时间的插入是一个特别艰巨的挑战。为冲击直通电流损坏输出MOSFET，必须插入死区时间，但插入死区时间会给放大器特性带来非线性，因此设计工程师经常无法在音频保真和安全余量之间达到令人满意的平衡。实现栅极驱动器和MOSFET的其它保护功能(如过温保护和过压保护)还将带来更复杂的挑战，这要求设计工程师具有丰富的开关功率电子设计技巧。
在面临如此多挑战的情况下使设计趋于完美非常困难，因为任何缺陷都会造成难以分析和校正的灾难性故障。
为帮助设计工程师克服这些困难，快速交付成功的D类放大器产品，国际整流器(IR)公司推出了具有内置保护功能的完整的MOSFET栅极驱动器IRS2092。该器件还集成了误差放大器和PWM比较器，允许设计工程师快速实现基于D类放大器的音频解决方案。
还有其它一些重要的放大器特性与功率开关级电路设计紧密相关，包括在启动和关闭期间减少咔嗒声的消除电路。IRS2092也在内部集成了这些功能，从而进一步减少了设计开销和器件数量。该方案解决了与D类放大器相关的功率电子设计挑战，并为设计工程师运用专业音频技术进一步提高产品性能提供了保障。
IRS2092还被设计成具有很好的灵活性，以便设计工程师可以决定输出滤波器特性，并可以在许多位置中选取反馈点，以在满足成本和器件数量的条件下获得最佳的音频性能和放大器稳定性。
D类放大器的差异化设计
1. 定制反馈环路
反馈环路设计是实现D类放大器差异化的一个重要特性。某些情况下，开环配置可以提供满意的性能，但放大器中固有的时序误差将增加失真和噪声。可以利用负反馈很好地解决这个问题。最简单的方法是将一部分开关信号反馈到误差放大器的输入端，并用无源RC低通滤波器进行预处理。市场上许多D类放大器芯片就是采用这种反馈方式。但是，设计工程师可能希望进一步优化放大器的失真性能，从更靠近输出端的地方取得反馈信号来减少负载依赖性。例如，反馈点可能在音频滤波器输出的最远点，即正好在扬声器的前面。一些设计工程师还可能通过将扬声器电子器件包含在反馈环路内来进一步改善性能，因为这些器件的影响可以被认为是放大器输出滤波器的一部分。还有些设计可能联合使用采自开关节点和滤波器输出的两种反馈信号。
IRS2092栅极驱动器芯片允许设计工程师自由地选取被认为是最佳的反馈点。通过明智的反馈实现以及对稳定性的补偿，设计工程师可以取得高保真音质级别的谐波失真和噪声(THD+N)性能。
2. 优化输出滤波器性能
输出滤波器对总效率、可靠性和音频性能有很大影响。简单的LC滤波器很常见，其截止频率刚好在音频频段之上，并具有每十倍频40dB的载波抑制性能。在许多应用中，只要小心控制扬声器的阻抗，一个简单的滤波器就可以提供足够好的性能。但另一方面，经验丰富的设计工程师可能希望使用更复杂的滤波器(具有更高阶响应特性、更好的陷波特性或特殊的载波抑制方法)，以进一步改善失真和噪声性能。
由于调节开关频率等参数可以自由调节，IRS2092允许工程师优化输出滤波器设计，并选取可提供理想特性的器件，如高线性和低直流电阻的电感。开关频率可编程的一个重要好处是，它允许管理带宽和开关频率之间的平衡。例如，如果使用带宽为200Hz的低音音箱放大器，可设置成更低的开关频率的能力将大有裨益。
3. 最大化阻尼系数
由于反馈和滤波器电路的设计会影响放大器的输出阻抗，所以设计工程师还需要控制好这些电路的设计以获得足够高的阻尼系数。阻尼系数是重要的一个品质因数，特别对负载阻抗较低的汽车音响系统而言。设计工程师必须确保严格控制扬声器的工作，以便在车箱环境中达到可接受的性能。仔细控制放大器输出和反馈设计可以实现大于100的阻尼系数，这对大多数音频放大器来说通常是足够的。
4. 可扩展性
使用如IRS2092这样具有4个基本D类放大器构建模块的集成芯片解决方案还有另外一个好处，即具有能满足更高输出功率或额外通道要求的可扩展性。通过定义合适等级的外部MOSFET、重新优化死区时间和过载保护门限，它能快速扩展放大器。通过保留相同的基本设计甚至相同的PCB设计，这种快速扩展能力可以缩短产品上市时间，并随着终端产品的发展而降低设计成本。此外，通过驱动器-MOSFET组合的多次反复设计，就能快速实现多通道系统。例如，可以快速、方便地配置高性价比和紧凑的6.1或7.2通道环绕声设备。
D类放大器参考设计
D类音频放大器芯片不仅能解决设计挑战、加速项目完成进度，还能有效地减少器件数量。为帮助设计工程师进一步发挥这些优势，国际整流器公司推出了将IRS2092栅极驱动器芯片和两个IRF6645 DirectFET MOSFET配置成半桥结构的参考设计(图2)。

图2：基于A/B类放大器的设计板(左)和IR公司D类放大器参考设计(右)的对比。
借助这个参考设计，设计工程师可以在61cm2的PCB面积上构建每个通道120W的开关放大器，此面积小于120W A/B类放大器参考设计面积的16%。由于D类放大器正常工作时无需散热器，所以总体积的减小也很可观。这个完整的D类放大器解决方案只占109cm3的空间，小于A/B类放大器体积的6%。
另外，这个参考设计在4Ω负载上输出60W的功率的同时，可以达到0.005%的低THD+N性能，残留噪声仅170μV，1kHz处的阻尼系数为170。利用这个功能性基础平台，设计工程师自由地定制反馈和输出滤波设计，以便为特定应用提供最佳的音频性能和总体成本。