D類(lèi)功放IC是基于脈沖寬度調制技術(shù)的開(kāi)關(guān)放大器，包括脈沖寬度調制器(幾百千赫茲開(kāi)關(guān)頻率)，功率橋電路，低通濾波器。這種類(lèi)型的功放已經(jīng)展示出很好的性能，要想設計出并實(shí)現電源效率高于90%，THD低于0.01%，低電磁噪音的D類(lèi)音頻功率放大器，或者甚至包括能將高保真音質(zhì)技術(shù)引入的D類(lèi)的放大器，其首要的問(wèn)題是掌握與D類(lèi)音頻功放設計有關(guān)的基礎技術(shù)與原理，為此本文將作其概述。

1、 D類(lèi)功放IC基本構成

    目前有很多種不同種類(lèi)的功放,如：A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)等。但D類(lèi)功放與其不同的是基本是一個(gè)開(kāi)關(guān)功放或者是脈寬調制功放。為此,主要將對說(shuō)明這類(lèi)D類(lèi)功放作以說(shuō)明。

    在這種D類(lèi)功放中，器件要么完全導通，要么完全關(guān)閉，大幅度減少了輸出器件的功耗，效率達90-95%都是可能的。音頻信號是用來(lái)調制PWM載波信號，其載波信號可以驅動(dòng)輸出器件，用最后的低通濾波器去除高頻PWM載波頻率。

    眾所周知, A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)功放均是線(xiàn)形功放,那么D類(lèi)功放與它們究竟有什么不同？我們首先應作討論。圖1是D類(lèi)功放原理框圖，在一個(gè)線(xiàn)性功放中信號總是停留在模擬區，輸出晶體管(器件)擔當線(xiàn)性調整器來(lái)調整輸出電壓。這樣在輸出器件上存在著(zhù)電壓降，其結果降低了效率。

    而D類(lèi)功放采用了很多種不同的形式，一些是數字輸入，還有一些是模擬輸入，在這里我們將集中討論一下模擬輸入。

    上面圖1顯示的是半橋D類(lèi)功放的基本功能圖，其中給出了每級的波形。電路運用從半橋輸出的反饋來(lái)補償母線(xiàn)電壓的變化。那末D類(lèi)功放是如何工作的呢？D類(lèi)功放的工作原理和PWM的電源是相同的，我們假設輸入信號是一個(gè)標準的音頻信號，而這個(gè)音頻信號是正弦波，典型頻率從20Hz到20kHz范圍。這個(gè)信號和高頻三角或鋸齒波形相比可以產(chǎn)生PWM信號，見(jiàn)圖2a中所示。這個(gè)PWM信號被用來(lái)驅動(dòng)功率級，產(chǎn)生放大的數字信號，最后一個(gè)低通過(guò)濾波器被用在這個(gè)信號上來(lái)濾掉PWM載波頻率，重新得到正弦波音頻信號，見(jiàn)圖2b中所示。

2、 從拓撲結構對比-看線(xiàn)性和D類(lèi)不同

    值此將討論線(xiàn)性功放(A類(lèi)和AB類(lèi))和D類(lèi)數字功放的不同之處。這兩者之間主要的不同是效率，這也是為什么要發(fā)明D類(lèi)功放的原因。線(xiàn)性功放就其性能而言具有固有的線(xiàn)性，但是即使是AB功放其效率也只有50%，而D類(lèi)功放的效率很高，在實(shí)際的設計中達90%。

    增益-線(xiàn)性功放增益不受母線(xiàn)電壓影響而變化，然而D類(lèi)功放的增益是和母線(xiàn)電壓成比例的。這就意味著(zhù)D類(lèi)功放的電源抗擾比率是0dB,而線(xiàn)性的PSRR(電源供應抑制比率)就很好。在D類(lèi)功放中普遍用反饋來(lái)補償母線(xiàn)電壓變化。

    能量流向-在線(xiàn)性功放中，能量是從電源到負載，雖然在全橋D類(lèi)功放中也是這樣，但半橋D類(lèi)功放還是不同的，因為能量可以雙向流動(dòng)而導致“母線(xiàn)電壓提升”現象產(chǎn)生，這樣會(huì )造成母線(xiàn)電容被從加載來(lái)的能量充電。這個(gè)主要發(fā)生在低頻上，如低于100Hz是這樣。

3、 D類(lèi)功放與Buck降壓轉換器類(lèi)拓撲差異

    在D類(lèi)功放和同步降壓轉換器拓撲原理作如圖3所示。這兩個(gè)電路之間的主要不同有三：其一、對于同步降壓轉換器，其基準電壓來(lái)自反饋電路的慢慢變化的穩定電壓；而D類(lèi)功放的參考信號是一個(gè)不斷變化的音頻信號。也就是說(shuō)，同步降壓轉換器的占空比是相對穩定的，而D類(lèi)以圍繞50%占空比不斷地改變。其二、在同步降壓轉換器中負載電流的方向總是朝著(zhù)負載，即電感電流為單向,見(jiàn)圖3左所示。但是在D類(lèi)功放中電流是朝著(zhù)兩個(gè)方向的，即電感電流為雙向，見(jiàn)圖3右所示。最后的不同是MOSFET的優(yōu)化方式。同步降壓轉換器對于高低端的晶體管有著(zhù)不同的優(yōu)化，較長(cháng)的周期需要較低的Rds(on)，而較短的周期需要低的Qg(柵極電荷)，即兩個(gè)開(kāi)關(guān)作用不同。但D類(lèi)功放對兩個(gè)MOSFET有著(zhù)相同的優(yōu)化方式。高低端器件有相同的Ras(on),即兩個(gè)開(kāi)關(guān)作用相同。

4、 D類(lèi)功放中MOSFET的選擇

    在功放中要達到高性能的關(guān)鍵因素是功率橋電路中的開(kāi)關(guān)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的功率損耗、死區時(shí)間和電壓、電流瞬時(shí)毛刺等都應該盡可能的最小化來(lái)改善功放的性能。因此，在這種功放中開(kāi)關(guān)要做到低的電壓降，快速的開(kāi)關(guān)時(shí)間和低雜散電感。

    由于MOSFET開(kāi)關(guān)速度很快，對于這種功放它是你最好的選擇。它是一個(gè)多數載流子器件，相對于IGBT和BJT它的開(kāi)關(guān)時(shí)間比較快，因而在功放中有比較好的效率和線(xiàn)性度。而MOSFET的選擇是基于功放規格而定。因而在選擇器件以前要知道輸出功率和負載阻抗(如100W 8Ω)，功率電路拓撲(如半橋梁或全橋)，調制度(如89%—90%)。

5、 MOSFET中的功率損耗

    功率開(kāi)關(guān)中的損失在A(yíng)B線(xiàn)性功放和D類(lèi)功放之間是截然不同的。首先看一下在線(xiàn)性AB功放中的損耗,其損耗可以定義如下：

K是母線(xiàn)電壓與輸出電壓的比率。

對于線(xiàn)性功放功率器件損耗，可以簡(jiǎn)化成下面的公式：

需要說(shuō)明的是AB功放功率損耗與輸出器件參數無(wú)關(guān)。

現在一起看一下D類(lèi)功放的損失，在輸出器件中的全部損耗如下：

Ptotal=Psw+Pcond+Pgd

Psw是開(kāi)關(guān)損耗

    Pcond是導通損耗，

Pgd是柵極驅動(dòng)損耗

    從上式可看于D類(lèi)功放的輸出損耗是根據器件的參數來(lái)定的,即基于Qg(柵極電荷)、Rds(on)(靜態(tài)漏源通態(tài)電阻)、Coss(MOSFET的輸出電容)和tf(MOSFET下降時(shí)間)，所以減少D類(lèi)功放損耗應有效選擇器件，圖4是D類(lèi)功放的功率損耗和K的函數關(guān)系。

6、 半橋和全橋結構拓撲的對比

    和普通的AB類(lèi)功放相似，D類(lèi)功放可以歸類(lèi)成兩種拓撲，分別是半橋和全橋結構。每種拓撲都各有利弊。簡(jiǎn)而言之，半橋簡(jiǎn)單，而全橋在音頻性能上更好一些，全橋拓撲需要兩個(gè)半橋功放，這樣就需要更多的元器件。盡管如此，橋拓撲的固有差分輸出結構可以消除諧波失真和直流偏置，就像在A(yíng)B功放中一樣。一個(gè)全橋拓撲允許用更好的PWM調制方案，比如量化幾乎沒(méi)有錯誤的三水平PWM方案。

    在半橋拓撲中，電源面臨從功放返回來(lái)的能量而導致嚴重的母線(xiàn)電壓波動(dòng)，特別是當功放輸出低頻信號到負載時(shí)。能量回流到電源是D類(lèi)功放的一個(gè)基本特性。在全橋中的一個(gè)臂傾向于消耗另一個(gè)臂的能量。所以就沒(méi)有可以回流的能量。 

7、 不完美失真和噪音產(chǎn)生

    一個(gè)理想的D類(lèi)功放沒(méi)有失真，在可聽(tīng)波段沒(méi)有噪音且效率足100%。然而，實(shí)際的D類(lèi)功放并不完美并且會(huì )有失真和噪音。其不完美是由于D類(lèi)功放產(chǎn)生的失真開(kāi)關(guān)波形造成的。原因是：

*從調制器到開(kāi)關(guān)級由于分辨率限制和時(shí)間抖動(dòng)而導致的PWM信號中的非線(xiàn)性。

*加在柵極驅動(dòng)上的時(shí)間誤差，如死區時(shí)間，開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間，上升下降時(shí)間。

*開(kāi)關(guān)器件上的不必要特征，比如限定電阻，限定開(kāi)關(guān)速度或體二極管特征。

*雜散參數導致過(guò)度邊緣的震蕩。

*由于限定的輸出電阻和通過(guò)直流母線(xiàn)的能量的反作用而引起得電源電壓波動(dòng)

*輸出LPF中的非線(xiàn)性。

    一般來(lái)講，在柵極信號中的開(kāi)關(guān)時(shí)間誤差是導致非線(xiàn)性的主要原因。特別是死區時(shí)間嚴重影響了D類(lèi)功放的線(xiàn)性。幾十納秒少量的死區時(shí)間很容易就產(chǎn)生1%以上的THD(總諧波失真),見(jiàn)圖5(c)所示。

8、 死區時(shí)間(見(jiàn)圖5(a)所示是如何影響非線(xiàn)性的)

    其圖5(a)(b)(c)為死區時(shí)間(或稱(chēng)延時(shí)時(shí)間)對失真的影響示意圖。D類(lèi)輸出級中的工作模式可以根據輸出波形如何跟隨輸入時(shí)間可歸類(lèi)成三個(gè)不同的區域。在這三個(gè)不同的工作區，輸出波形跟隨高低端輸入信號的不同邊緣而變化的。

    讓我們檢查一下第一個(gè)操作區(見(jiàn)圖5c所示High side edges)，在這里電流比電感器波紋電流還大時(shí)，輸出電流就從D類(lèi)功放流向負載。高端器件在低端器件開(kāi)通之前關(guān)斷，輸出節點(diǎn)就會(huì )被轉到負母線(xiàn)。這個(gè)過(guò)程與低端器件開(kāi)通時(shí)間無(wú)關(guān)，它是通過(guò)從解調電感的換向電流自動(dòng)造成的。因此輸出波形與嵌入到低端器件開(kāi)通前的死區時(shí)間無(wú)關(guān)。因此PWM波形只被嵌入到高端柵極信號的死區短路了，而造成所希望的輸入占空比的輕微電壓增益降低。

    有個(gè)相似的情況發(fā)生在負工作區(見(jiàn)圖5c所示Low side edges)，輸出電流從加載流向D類(lèi)功放。電流高于電感波紋電流。在這種情況下，輸出波形的時(shí)間并沒(méi)有受嵌入高端開(kāi)通沿的死區時(shí)間的影響，而總是允許低端輸入時(shí)間。因此，PWM波形只被嵌入到低端器件柵極信號的死區時(shí)間短路。

    在以前描述的兩個(gè)操作模式中存在一個(gè)區域，在這個(gè)區域中輸出時(shí)間與死區時(shí)間是獨立的。當輸出電流小于電感波紋電流時(shí)，輸出時(shí)間跟隨每個(gè)輸入的關(guān)斷沿。因為在這個(gè)區域，是ZVS(零電壓開(kāi)關(guān))操作狀態(tài)(見(jiàn)圖5c所示Falling edges)，因此在中間區域就不會(huì )有失真。

    當輸出電流隨著(zhù)音頻輸入信號的不同而變化時(shí)，D類(lèi)功放將改變它的操作區，這樣每個(gè)都會(huì )有細小的不同增益。在音頻信號的周期中的這三個(gè)不同區域增議會(huì )歪曲輸出波形。

    圖5(b)顯示的是死區時(shí)間如何影響THD性能的。一個(gè)40nS死區時(shí)間可以產(chǎn)生2%的THD。這個(gè)可以通過(guò)減小死區時(shí)間到15nS提高到0.2%。這個(gè)標志著(zhù)更好線(xiàn)性與高低端開(kāi)關(guān)器件轉換過(guò)程的重要性。

9、 音頻性能測量

    有著(zhù)AESl7網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾器的音頻測量?jì)x器是很必需的。當然，像傳統音頻分析器HP8903B，加上合適的前級低通濾波器也可以使用。在這里需要重要考慮的是D類(lèi)功放的輸出信號在其波形上仍然含有大量的開(kāi)關(guān)載波頻率，這樣就造成錯誤的讀取。這些分析器也許很難防止D類(lèi)功放的載波泄露。

10、防止直通

    盡管如此，一個(gè)狹窄的死區時(shí)間在大量生產(chǎn)中是很危險的。因為一旦高低端晶體管被同時(shí)打開(kāi)，那么直流母線(xiàn)的電壓就會(huì )被晶體管短路，大量的直通電流將開(kāi)始流動(dòng)，這便會(huì )導致器件損壞。我們應該注意到有效的死區時(shí)間對每個(gè)功放是不同的，與元件參數和芯片溫度有關(guān)。對于一個(gè)D類(lèi)功放的可靠設計來(lái)講確保死區時(shí)間總是正的而決不是負的來(lái)防止晶體管進(jìn)入直通，這是非常重要的。

11、關(guān)于電源吸收能量 

    另外一個(gè)在D類(lèi)功放中引起明顯降額的原因是母線(xiàn)充電，當半橋拓撲在給負載輸出低頻時(shí)可以看到。要時(shí)刻記住，D類(lèi)功放的增益與母線(xiàn)電壓直接成比例關(guān)系。因此，母線(xiàn)電壓波動(dòng)產(chǎn)生失真，而D類(lèi)功放中的電流流動(dòng)是雙向的，則就存在了從功放返回到電源時(shí)期。大量流回到電源的能量來(lái)自于輸出LPF的電感存儲的能量。通常，電源沒(méi)有辦法吸收從負載回流過(guò)來(lái)的能量。因此，母線(xiàn)電壓上升，造成電壓波動(dòng)。母線(xiàn)電壓上升并不是發(fā)生在全橋拓撲上，因為從開(kāi)關(guān)橋臂同儲到由源的能源熔會(huì )在另一個(gè)橋臂消耗掉。

12、對EMI(電磁輻射)的考慮

    在D類(lèi)功放設計中的EMI(電磁輻射)是很麻煩的，像在其他開(kāi)關(guān)應用中一樣。EMI的主要來(lái)源之一是來(lái)自從高到低流動(dòng)的MOSFET二極管的反向恢復電荷，和電流直通很相象。在嵌入到阻止直通電流的死區過(guò)程中，在輸出LPF中的電感電流打開(kāi)體二極管。在下一個(gè)階段中，當另外一端的MOSFET在死區未打開(kāi)時(shí)，體晶體管保持導通狀態(tài)，除非儲存的大量少數載波被完全復合。這個(gè)反向的恢復電流趨向于形成一個(gè)很尖的形狀，和由于PCB板和封裝雜散電感因起步希望的震蕩。因此，PCB布線(xiàn)設計對減小EMI和系統可靠性至關(guān)重要的。

13、D類(lèi)功放中MOSFET選擇的其他考慮

*選擇合適的封裝和結構

*功放的THD、EMI和效率，還受FET的體二極管影響�？s短體二極管恢復時(shí)間(工R的并聯(lián)肖特基二級管的FET)；降低反向恢復電流和電荷，能改善THD；EMI和效率。

*FET結殼熱阻要盡可能小，以保證結溫低于限制。

*保證較好可靠性和低的成本條件下，工作在最大結溫。用絕緣包封的器件是直接安裝還是用裸底板結構墊絕緣材料，依賴(lài)于它的成本和尺寸。

14、D類(lèi)功放參考設計見(jiàn)圖6所示

*拓撲：半橋

*選用IR2011S(柵極驅動(dòng)IC,最高工作電壓200V,Io+/-為1.0A/1.0A，Vout為10-20V,ton/off為80&60ns,延時(shí)匹配時(shí)間為20ns)；IRFB23N15D (MOSFET功率管ID=23A,R DS=90mΩ,Qg=37nC Bv=150V To-220封裝)

*開(kāi)關(guān)頻率：400KHz(可調)

*額定輸出：200W+200W／4歐

*THD:0.03%-1mhz半功率

*頻率響應：5Hz-40KHz(-3dB)

*電源：～220v±50V

*尺寸：4.0“×5.5”

15、結論

    如果我們在選擇器件時(shí)很謹慎，并且考慮到精細的設計布線(xiàn)，因為雜散參數有很大的影響，那么目前高效D類(lèi)功放可以提供和傳統的AB類(lèi)功放類(lèi)似的性能。半導體技術(shù)不斷創(chuàng )新使得效率提高，功率密度增加和較好的音響效果，增加了D類(lèi)功放的運用。

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