數字音頻功率放大技術(shù)就是采用了全新的放大體制，功放管工作于D 類(lèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，與傳統模擬功放相比，具有體積小、功率大，與數字音源無(wú)縫結合、能有效降低信號間的傳遞干擾、實(shí)現高保真等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

本文提出了高效數字功率放大器的優(yōu)化設計方案,將雙邊帶三電平自然采樣法( NBDD)脈寬調制技術(shù)引入數字功放的脈寬調制設計中，降低了低通濾波器設計階數、改善了信噪比; 通過(guò)將Dead Time( 死區時(shí)間)技術(shù)引入開(kāi)關(guān)放大器的設計中，減小了開(kāi)關(guān)放大器的串通損耗和漏源電容損耗。

1 優(yōu)化方案實(shí)現原理

此方案采用的是兩個(gè)獨立的通道，可單獨、同時(shí)完成信號的數字處理和功率放大，并可橋接成一個(gè)通道進(jìn)行信號的數字處理和功率放大。每個(gè)通道工作在半橋工作模式下，又可橋接成全橋工作模式進(jìn)行工作。其實(shí)現原理如圖1 所示。



圖1 高效數字功率放大器原理圖

輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大,同時(shí)進(jìn)行低通濾波。低通濾波器采用的是二階But terw orth 低通濾波器，截止頻率為37 kHz，3 dB 帶寬為22 kHz。濾波過(guò)后的信號與反饋回來(lái)的音頻信號一起送到誤差放大器進(jìn)行誤差放大，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調制器，進(jìn)行NBDD 調制產(chǎn)生PWM 信號。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線(xiàn)性度的模擬三角波信號，頻率為230~ 280 kHz 可調。PWM 信號插入Dead Time 后送到浮動(dòng)電源和自舉相結合的驅動(dòng)器進(jìn)行預放大，放大了的PWM 信號驅動(dòng)由場(chǎng)效應管組成的半橋開(kāi)關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，輸出功率PWM 信號。經(jīng)開(kāi)關(guān)放大器放大的PWM 信號被采樣作為反饋信號送到誤差放大器。

功率PWM 信號送到低通濾波器還原出模擬音頻信號。

當需要橋接單通道輸出時(shí)，只需在兩半橋輸入端送入等幅反相的音頻信號，并將負載接于兩半橋輸出端即可。

為了增加模塊的可靠性，設計時(shí)同時(shí)考慮了各種誤操作對模塊造成的損壞，并提供了故障指示功能，幫助整機及時(shí)準確查找問(wèn)題，便于模塊進(jìn)行維修。

2 NBDD 調制技術(shù)的實(shí)現

NBDD 調制技術(shù)的具體實(shí)現如圖2 所示。



圖2 NBDD 調制技術(shù)實(shí)現框圖

輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大,再與反饋回來(lái)的音頻信號一起送到誤差放大器，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調制器，進(jìn)行NBDD 調制。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線(xiàn)性度的模擬三角波信號，頻率為230~ 280 kHz。

此處的重點(diǎn)在于實(shí)現高線(xiàn)性度的三角波發(fā)生器和高速比較器。三角波的非線(xiàn)性會(huì )直接影響PWM 調制器的線(xiàn)性度，整機的失真度; 為了能良好的還原音頻,PWM 開(kāi)關(guān)頻率不能低于200 kHz，因此需要采用高速比較器。調制方式不僅影響到音頻帶內的性能指標，而且對放大器系統的高頻輻射性能( EMC) 有著(zhù)決定性的影響。因此從音頻輸入至脈寬編碼完成鏈路上，所采用的音頻放大器、誤差放大器應具備高的輸入阻抗、低的工作電流、寬的增益帶寬、快的上升速度、良好的共模抑制比、低的漂移電壓等技術(shù)指標; 比較器應具備響應速度快、功耗低、輸入偏移電壓小等特點(diǎn)。

3 引入Dead Time 的開(kāi)關(guān)放大器優(yōu)化設計

開(kāi)關(guān)放大器的主要特點(diǎn)就是高效，因此其優(yōu)化設計主要應體現在進(jìn)一步減小各類(lèi)損耗，真正體現其高效率的特點(diǎn)。

通過(guò)串通損耗產(chǎn)生的原理，可以在柵極驅動(dòng)電壓上想辦法，在上管完全截止后再讓下管開(kāi)始導通，在下管完全截止后再讓上管開(kāi)始導通，這樣就可以減小串通損耗，同時(shí)又可以減小結電容Cds 損耗。這種為了解決串通損耗而在兩驅動(dòng)信號之間按 延遲導通，正常截止 的原則，加入的時(shí)間稱(chēng)為Dead T ime( 死區時(shí)間) ，原理詳見(jiàn)圖3。圖中分析的是工作在一個(gè)開(kāi)關(guān)臂上的兩個(gè)N 溝場(chǎng)效應管。



圖3 引入Deed T ime 前后信號對比

4 各項指標測試

指標測試主要采用的是國際上通用的音頻專(zhuān)用測試儀Audio Precision System One。Audio Precisio nSystem One 是由全球最大的音頻測試儀器制造商美國Audio Precisio n 公司制造。

電源經(jīng)電流表送到被測樣機的電源插座上; 電源輸出的正、負端間并聯(lián)電壓表，電壓表和電流表分別用于測試電源輸出的電壓和電流，從而可以計算出電源輸出功率。被測樣機的音頻輸入端接音頻測試儀的音頻輸出端，功率音頻輸出端分別連接音頻測試儀和標準功率電阻，被測樣機輸出的功率信號送到標準負載上，同時(shí)送到音頻測試儀上進(jìn)行分析測試。由計算機控制選擇音頻測試儀A udio Precision Sy stem One 的輸出信號頻率、幅度等特性，并選擇需要測試的指標，同時(shí)將測試結果顯示到計算機上。

4. 1 功能指標測試

將模塊按正常情況進(jìn)行連接。如無(wú)特殊要求音頻輸入頻率為1 kHz 的正弦波，電源電壓為±120 V。測試插座XSZ 的8 腳，如為高電平( + SV) 則表示模塊處于保護狀態(tài)，音頻輸出腳無(wú)信號輸出; 如為低電平( OV) 則表示模塊處于正常工作狀態(tài)，音頻輸出腳有信號輸出。
測試項目及測試情況分別為：

( 1) 靜音控制: 輸入靜音信號，音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XSZ 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(tài)，響應外部靜音控制;

( 2) 電源過(guò)壓保護: 將+ 120 V 電源升至+ 128 V,負電源保持不變，模塊進(jìn)入保護狀態(tài); 將- 120 V 電源降至- 128 V，正電源保持不變，模塊進(jìn)入保護狀態(tài);

( 3) 電源欠壓保護: 將+ 120 V 電源降至+ 100 V,負電源保持不變，模塊進(jìn)入保護狀態(tài); 將- 120 V 電源升至- 100 V，正電源保持不變，模塊進(jìn)入保護狀態(tài);

( 4) 電源反接保護: 將電源正負反接，模塊無(wú)損壞進(jìn)入保護狀態(tài);

( 5) 電源過(guò)流保護: 輸出標準負載換為2Ω，加大輸入音頻信號幅度，當輸出功率超過(guò)2 800 W 時(shí)，音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XS2 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(tài);

( 6) 高溫保護: 用高溫溫箱對模塊進(jìn)行加熱，當模塊內部溫度達到+ 80℃時(shí)，音頻輸出腳無(wú)信號輸出,XS2 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(tài);

( 7) 輸出對地保護: 將模塊輸出音頻腳與地短接,音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XS2 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(tài);

( 8) 輸出短接保護: 將模塊輸出音頻腳相互短接,音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XS2 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(tài);

( 9) 保護指示: 當模塊進(jìn)入任一保護態(tài)時(shí)，XS2 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(tài)。

從以上測試結果可以看出本文數字功率放大器在靜音控制、電源過(guò)壓保護及電源欠壓保護等多方面都可以滿(mǎn)足穩定工作的要求。

4. 2 技術(shù)指標測試

音頻輸入頻率為1 kHz 的正弦波，電源電壓為! 120 V。用計算機控制選擇音頻測試儀Audio Precision System One 的設置，根據不同的指標測試選擇測試項，測試結果如表1，圖4~ 圖6 所示。



圖4 1 000 W/ 4 樣機頻響指標測試結果圖



圖5 1 000 W/ 4 樣機噪聲低電平指標測試結果圖



圖6 1 000 W/ 4 樣機失真度指標測試結果圖

4. 3 測試結果分析

將測試指標與傳統模擬功放和國外一流數字功放制造廠(chǎng)家進(jìn)行對比，結果如表2 所示。由對比結果可以看出樣機的各項性能指標與國際知名廠(chǎng)家的專(zhuān)業(yè)功放基本一致。

高效數字功率放大器優(yōu)化設計方案通過(guò)樣機的研制開(kāi)發(fā)驗證合理可行，且實(shí)現了音頻信號高效率、高指標放大，在大功率領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)取得了較為理想的效果,采用NBDD 脈寬調制方式，實(shí)現了高質(zhì)量脈寬調制，完美再現脈寬調制波形，失真度指標高，為提高系統可靠性所采取的各種保護措施都取得了預期的效果，提高了系統的可靠性。

5 結 語(yǔ)

采用NBDD 調制方式對音頻信號進(jìn)行脈寬調制采樣，加入Dead T ime 后，再經(jīng)由浮動(dòng)電源和自舉相結合的驅動(dòng)方式對脈寬調制信號進(jìn)行放大，放大了的脈寬調制信號驅動(dòng)半橋工作模式下的開(kāi)關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，實(shí)現了高效率數字音頻功率放大器的優(yōu)化設計，在方案設計中所采取的各種優(yōu)化設計取得了一定的效果,分析計算方法合理可行。