实现最佳音频性能的D类放大器设计挑战 全世界, 放大器, 竞争力, 设计者, 产品

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作者: 国际整流器公司 音频系统工程部总监 Jun Honda

D类放大器逐渐成为高端家用A/V设备以及移动设备的首选拓扑，能够帮助设计者实现高性能与小尺寸组合，而这正是全世界用户所期望和需要的。现在，高集成度D类放大器件，包括单个封装内的整个放大器模块 - 的出现让企业能够更快地将价格极具竞争力的新产品推向市场，并且其音频性能达到或者超过了传统的模拟放大器。

D类音频放大器可以在90%左右的效率水平下运行，让设计者能够利用小型散热器或者无需散热器即可提供极高的音频输出。这样就能够实现新的小型音频产品，而这是利用传统的模拟AB类放大器无法实现的。

然而，从头设计D类放大器并非易事。巨大的挑战在于确保放大器能够安全运行。但是，如果可以实现这一点，音频性能或多或少是可以预知的，并且主要取决于所用元件的质量。

本文将比较AB类和D类放大器的设计与性能，介绍D类设计相关的主要挑战，说明更高的集成度如何帮助工程师更快的完成设计和实现成本与性能目标。

模拟与数字放大器设计

多年以来，AB类模拟拓扑已广泛用于整个音频行业。AB类操作结合了A类操作(其中，输出晶体管永远不会关闭，导致功耗居高不下)和B类操作(其中，每个器件都只会接通半个信号周期(180度)，从而大幅降低了功耗)。在AB类放大器内，各个输出器件都会接通200度左右，牺牲了一定的能效，但是产生了少量重叠，从而减轻了一个器件关闭，另一个器件接通时的交越失真。

为了利用AB类放大器实现尽可能最高的音频保真度，设计者必须以最佳的方式偏置晶体管，以便操作保持在线性区域内和将交越失真最小化。器件选择和电路布局也会影响声音的质量和类型，从而让设计者能够针对某些应用和环境优化之。通常，AB类放大器的工作效率为30-35%。这比纯A类设计15-30%的效率高得多，但是需要添加大型散热器，从而增加了成品的成本和体积。

过去，设备采购商易于接受高级高保真音响和音/视频设备体积大的问题。然而，当今对高性能移动设备和更流行的超薄家用多媒体系统的需求越来越需要能够提供同等或更高音质、占用的PCB面积更小、工作效率更高、能耗更低、需要更少散热器的数字放大器。

在D类放大器中，输出晶体管是在开关模式下运行，而不是在线性区域内运行，这样就让设计者能够提供当今终端用户期望的外形更小巧、能效更高的产品。在输出端，利用低通滤波器去除开关载波信号及其谐波，从而产生高质量放大音频信号。

D类放大器的通用功能模块如图1所示。将输入音频信号与高频锯齿波形对比，生成输入的脉宽调制方波表达式。锯齿波频率通常在400kHz上下。这正好在音频信号频率范围之外，因此有助于简化输出滤波器设计。



图1：D类放大器的主要功能模块。

然后，音频信号的脉宽调制等效信号被用于驱动放大器输出级，它是全桥或者半桥MOSFET阵列。输出拓扑选择取决于系统要求，例如成本、功率输出和电源设计。例如，半桥输出级需要正、负供电。另一方面，全桥能够由单电源供电，并且还能为给定的电源电压产生较高的输出。

在这两种情况下，输出MOSFET的特性均针对D类音频放大器操作进行了优化，从而能够实现效率最大化，并保证低总谐波失真+噪声(THD+ N)和EMI。这需要低导通电阻(用于在终端产品内实现高电源密度)以及优化的栅极电荷和体二极管反向恢复特性(用于实现快速且高效的交换)。

放大的音频信号包含在MOSFET桥输出端处的方波内。低通滤波消除了音频外频率，恢复了纯音频信号以便驱动扬声器。

D类设计挑战

由于功率晶体管不是处于硬开状态，就是处于全关状态，所以设计者无需做任何调整就可以优化性能。然而，PWM变换级必须得到很好的保护，并且需要精确的栅极控制和低脉宽失真，以及高、低端驱动信号要匹配，方可将死区时间最小化，进而实现最佳线性度。

开发风险很高，设计D类放大器本来就是一个功率电子挑战，需要具备开关控制和保护电路设计方面的知识。如果设计阶段没有正确解决这些问题，那么原型就可能无法运行或者在测试时出现灾难性的故障。如果发生了这类故障，那么查明和修正这些缺陷就会非常困难，并且还会额外增加成本和导致项目延期完成。

参照图1，就能够确定与放大器的主要功能模块相关的主要设计挑战了。

误差放大器和噪声隔离

音频放大器的主要品质因数为噪声和总谐波失真(THD)。在D类放大器中，这些是由缺陷造成的，包括有限的开关时间、过上/下冲和电源波动。要将这些影响降至最低水平，就需要仔细设计适当的误差放大器，它能够通过比较输入和输出音频信号来修正输出级内的缺陷。然而，A类或AB类设计所用的典型误差放大器不适于D类音频放大器的嘈杂环境。购买合适的运算放大器和确保足够高的抗噪性可能会很困难而且代价高昂。

就噪声隔离而言，D类拓扑要求前、后端要尽可能地靠近彼此。在分立式解决方案中，设计者必须决定如何将输入端的噪声敏感型模拟电路与输出级产生的潜在破坏性开关噪声隔离开来。集成式D类放大器模块让设计者能够绕开这些挑战。然而，利用适当的器件在2个电路之间实现充分的电隔离至关重要。

PWM比较器和电平移位

误差放大器处理完输入音频信号并产生形状适当的输出之后，比较器会将该模拟信号转换成脉宽调制(PWM)信号。

栅极驱动和MOSFET开关

栅极驱动级接收来自于比较器的PWM信号。这个阶段，在高端和低端MOSFET的导通相之间插入死区时间，用以防止过大的电流流过电桥。死区时间消除了输出MOSFET开关延迟时间的影响，开关延迟会产生破坏性直通电流通行，因此能够保证安全操作。然而，插入死区时间还会导致非线性，从而产生不必要的失真。

精确的栅极控制是实现高音频性能的关键。栅极驱动器必须具有脉宽失真低的特性，并且高、低端栅极驱动器级之间要匹配。这2个特性对于将死区时间最小化以便实现线性放大器性能而言至关重要。事实上，死区时间插入通常被视为D类放大器交换级设计中最关键的部分。

保护电路

由于MOSFET的功耗与负载电流的平方成正比，所以保护电路通常要监测负载电流，以便防止在过载条件下发生MOSFET故障。外部分流电阻器通常用于负载电流检测，但是电阻选择和噪声滤波等方面也很关键。这会增加整个解决方案的成本和物理尺寸，并且会拖延项目完成时间。

还需要保护电路来解决由于功率级的关键电流环路通道内的杂散电感而产生的其它开关噪声的影响。

D类音频放大器IC

为了帮助音频工程师迅速完成D类设计和避开原型开发过程中的陷阱，IR利用其在功率集成方面的专业知识制定了D类音频IC的发展路线图，向着在单个封装内实现完整D类放大器的方向迈进。

该系列的首款器件为IRS2092音频驱动器，具有受保护的PWM开关功能。它设计用于连接从IR 50W~500W目标应用中选择的外部数字音频MOSFET。这些器件让设计者能够采用芯片集成法实现比类似的AB类设计小得多的D类音频解决方案。利用IRS2092驱动2个IRF6645 DirectFET音频MOSFET让设计者能够创造板空间小60%、典型物料成本低20%的100W放大器。

IRS2092整合了误差放大器、PWM比较器、具有死区时间插入功能的MOSFET变换级和过载保护功能，这些都是D类放大器的主要功能元件。图2中的模块简图介绍了这些功能。



图2：IRS2092 D类放大器IC的模块简图。

内置式误差放大器基于优化的、带宽为9MHz的高抗噪性运算放大器，让设计者能够实现远低于0.01%的音频失真(THD)。然后，PWM比较器将模拟信号转换成传播延迟短的PWM，这让设计者能够自由地优化反馈环路。通常，一部分开关信号被反馈给误差放大器的输入端，并利用低通滤波器进行预处理。然而，可以通过拉近来自于输出端的反馈之间的距离来降低失真和负载依赖度。IRS2092让设计者能够从任意被认为是最佳的点获得反馈和增加稳定性补偿，从而实现发烧友级谐波失真和噪声(THD + N)性能。

高压电平移位器将接地参考数字信号转换成以高端和低端MOSFET的各个源为参考的栅极驱动信号，从而无论各端存在着怎样的电压差异都能够准确地转发PWM信号，正如理想的差分放大器那样。获得专利的结隔离法能够防止输出电路产生的噪声干扰输入信号。

在栅极驱动级的各个导通状态之间插入死区时间，以便防止高、低端MOSFET内同时出现导通状态。事实上，IRS2092让设计者能够根据所选MOSFET选择死区时间的长短。保证期限让设计者免去了评估最差情况的环节。

跟分立式解决方案不同，IRS2092中内置了过载保护，可以监测输出电流，并且如果超过了预定的阈值，还可以关闭PWM。

其它与功率变换级设计关系紧密的重要放大器特性包括消除脉宽调制器产生的EMI的措施，以及用于在启动和关闭过程中降低开关噪声的电路。通过在内部实现这些特性，IRS2092进一步降低了设计开销和元件数量。这种方法解决了与D类放大器有关的功率电子设计挑战，为工程师应用专业音频技巧进一步提升性能打下了基础。

实际的集成式放大器

为了给设计者提供进一步的帮助，IR证明这种方法也适用于120W双通道半桥参考设计IRAUDAMP5。在利用IRF6645 DirectFET MOSFET驱动4Ω扬声器负载内的2x60W时，放大器在输出端实现了极低的THD+N(0.005%)。并且，在120W下实现了96%的通道效率。参考设计可以为选择反馈(来自于功率输出级)通道内所需的外部集成器元件和RC滤波器元件提供指导。并且，还提供了全部所需家用电源、优化的板布局、PCB制造详情和物料清单。设计无需散热器即可在1/8连续额定功率下正常运行，并且输出功率和通道数量均可扩展。

音频放大器设计的另一个重要方面是保证启动和关闭规程的正确性，防止这些间隔期间出现的瞬态通过输出扬声器产生听得到的开关噪声。传统地，通过插入只有在启动瞬态通过之后将扬声器与音频放大器连接到一起，并在关闭放大器之前断开扬声器连接的串联继电器来将这些瞬态摒除在扬声器之外。由于IRS2092集成了开关噪声消除功能，所以IRAUDAMP5无需任何串联继电器即可断开扬声器，防止产生听得见的瞬态噪声。

单封装D类放大器

利用这种方法，下一级集成是在相同的封装内添加针对数字音频应用进行了优化的功率MOSFET，以及PWM控制器、栅极驱动器电路和集成式保护特性。IR的最新PowIRaudio系列集成式功率模块实现了这一目标，让设计者能够为面向高性能高保真音响、家庭影院系统和汽车音响等应用的高效放大器进一步减少元件数量，并且将电路板尺寸缩小了70%之多。

该系列的4款PowIRaudio器件包括IR4301M、IR4311M、IR4302M和IR4312M，支持35W/4Ω~130W/4Ω全桥和半桥拓扑，让设计者能够配置2.1通道、5通道、6通道和7.1通道应用。这些器件具有很宽的工作电压范围，IR4301/4302和IR4311/4312的工作电压分别高达62V/±31V和32V/±16V。该系列共有的其它重要特性包括过流保护、热关断、内部/外部关断和浮动差分输入。IR4302和IR4312还具有芯片检测功能。

利用这些器件，设计者可以构建面向典型音乐回放应用的放大器，其无需机械散热器并且能够实现出色的音频性能，例如THD+N低至0.02%。控制器IC的高抗噪性保证在各种环境条件下均能实现可靠操作。这些器件采用散热型PQFN封装，尺寸为5mm x 6mm(IR4301/4311)和7mm x 7mm(IR4302/4312)，因此实现了IR高级D类组合封装解决方案优势最大化。

为了帮助完成定制设计，共提供了6个参考设计，利用了采用单端和独立电源配置的IR4301和IR4302，以及采用单端电源的IR4311和IR4312。这些设计面向35W、70W、100W和130W应用，包括带和不带散热器的配置。采用IR4302、面向100W双通道无散热器放大器的IRAUDAMP17参考设计如图3所示。



图3：采用IR4302的100W双通道D类参考设计。

放大器功耗与THD+N性能的关系如图4所示，效率与功耗的关系如图5所示。



图4：采用IR4302的IRAUDAMP17参考设计的THD+N与功耗的关系。



图5：采用IR4302的IRAUDAMP17参考设计的效率与功耗的关系。

通过简化新一代交钥匙D类芯片放大器的获得方法，这些参考设计能够帮助设计者克服散热挑战，在适用于家庭影院和电视、音频扩展、有源音箱、乐器和售后市场汽车系统等产品的、宽额定音频输出功率范围内实现小型化设定新标准。

利用这种方法，设计者可以保证在合理的时间窗口内完成各个项目，实现规定的音频质量目标，同时还能为产品小型化设定新标准和实现极具竞争力的价格。