D類(lèi)放大器逐漸成為高端家用A/V設備以及移動(dòng)設備的首選拓撲，能夠幫助設計者實(shí)現高性能與小尺寸組合，而這正是全世界用戶(hù)所期望和需要的�，F在，高集成度D類(lèi)放大器件，包括單個(gè)封裝內的整個(gè)放大器模塊 - 的出現讓企業(yè)能夠更快地將價(jià)格極具競爭力的新產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并且其音頻性能達到或者超過(guò)了傳統的模擬放大器。

D類(lèi)音頻放大器可以在90%左右的效率水平下運行，讓設計者能夠利用小型散熱器或者無(wú)需散熱器即可提供極高的音頻輸出。這樣就能夠實(shí)現新的小型音頻產(chǎn)品，而這是利用傳統的模擬AB類(lèi)放大器無(wú)法實(shí)現的。

然而，從頭設計D類(lèi)放大器并非易事。巨大的挑戰在于確保放大器能夠安全運行。但是，如果可以實(shí)現這一點(diǎn)，音頻性能或多或少是可以預知的，并且主要取決于所用元件的質(zhì)量。

本文將比較AB類(lèi)和D類(lèi)放大器的設計與性能，介紹D類(lèi)設計相關(guān)的主要挑戰，說(shuō)明更高的集成度如何幫助工程師更快的完成設計和實(shí)現成本與性能目標。

模擬與數字放大器設計

多年以來(lái)，AB類(lèi)模擬拓撲已廣泛用于整個(gè)音頻行業(yè)。AB類(lèi)操作結合了A類(lèi)操作(其中，輸出晶體管永遠不會(huì )關(guān)閉，導致功耗居高不下)和B類(lèi)操作(其中，每個(gè)器件都只會(huì )接通半個(gè)信號周期(180度)，從而大幅降低了功耗)。在A(yíng)B類(lèi)放大器內，各個(gè)輸出器件都會(huì )接通200度左右，犧牲了一定的能效，但是產(chǎn)生了少量重疊，從而減輕了一個(gè)器件關(guān)閉，另一個(gè)器件接通時(shí)的交越失真。

為了利用AB類(lèi)放大器實(shí)現盡可能最高的音頻保真度，設計者必須以最佳的方式偏置晶體管，以便操作保持在線(xiàn)性區域內和將交越失真最小化。器件選擇和電路布局也會(huì )影響聲音的質(zhì)量和類(lèi)型，從而讓設計者能夠針對某些應用和環(huán)境優(yōu)化之。通常，AB類(lèi)放大器的工作效率為30-35%。這比純A類(lèi)設計15-30%的效率高得多，但是需要添加大型散熱器，從而增加了成品的成本和體積。

過(guò)去，設備采購商易于接受高級高保真音響和音/視頻設備體積大的問(wèn)題。然而，當今對高性能移動(dòng)設備和更流行的超薄家用多媒體系統的需求越來(lái)越需要能夠提供同等或更高音質(zhì)、占用的PCB面積更小、工作效率更高、能耗更低、需要更少散熱器的數字放大器。

在D類(lèi)放大器中，輸出晶體管是在開(kāi)關(guān)模式下運行，而不是在線(xiàn)性區域內運行，這樣就讓設計者能夠提供當今終端用戶(hù)期望的外形更小巧、能效更高的產(chǎn)品。在輸出端，利用低通濾波器去除開(kāi)關(guān)載波信號及其諧波，從而產(chǎn)生高質(zhì)量放大音頻信號。

D類(lèi)放大器的通用功能模塊如圖1所示。將輸入音頻信號與高頻鋸齒波形對比，生成輸入的脈寬調制方波表達式。鋸齒波頻率通常在400kHz上下。這正好在音頻信號頻率范圍之外，因此有助于簡(jiǎn)化輸出濾波器設計。

圖1：D類(lèi)放大器的主要功能模塊。

然后，音頻信號的脈寬調制等效信號被用于驅動(dòng)放大器輸出級，它是全橋或者半橋MOSFET陣列。輸出拓撲選擇取決于系統要求，例如成本、功率輸出和電源設計。例如，半橋輸出級需要正、負供電。另一方面，全橋能夠由單電源供電，并且還能為給定的電源電壓產(chǎn)生較高的輸出。

在這兩種情況下，輸出MOSFET的特性均針對D類(lèi)音頻放大器操作進(jìn)行了優(yōu)化，從而能夠實(shí)現效率最大化，并保證低總諧波失真+噪聲(THD+ N)和EMI。這需要低導通電阻(用于在終端產(chǎn)品內實(shí)現高電源密度)以及優(yōu)化的柵極電荷和體二極管反向恢復特性(用于實(shí)現快速且高效的交換)。

放大的音頻信號包含在MOSFET橋輸出端處的方波內。低通濾波消除了音頻外頻率，恢復了純音頻信號以便驅動(dòng)揚聲器。

D類(lèi)設計挑戰

由于功率晶體管不是處于硬開(kāi)狀態(tài)，就是處于全關(guān)狀態(tài)，所以設計者無(wú)需做任何調整就可以?xún)?yōu)化性能。然而，PWM變換級必須得到很好的保護，并且需要精確的柵極控制和低脈寬失真，以及高、低端驅動(dòng)信號要匹配，方可將死區時(shí)間最小化，進(jìn)而實(shí)現最佳線(xiàn)性度。

開(kāi)發(fā)風(fēng)險很高，設計D類(lèi)放大器本來(lái)就是一個(gè)功率電子挑戰，需要具備開(kāi)關(guān)控制和保護電路設計方面的知識。如果設計階段沒(méi)有正確解決這些問(wèn)題，那么原型就可能無(wú)法運行或者在測試時(shí)出現災難性的故障。如果發(fā)生了這類(lèi)故障，那么查明和修正這些缺陷就會(huì )非常困難，并且還會(huì )額外增加成本和導致項目延期完成。

參照圖1，就能夠確定與放大器的主要功能模塊相關(guān)的主要設計挑戰了。

誤差放大器和噪聲隔離

音頻放大器的主要品質(zhì)因數為噪聲和總諧波失真(THD)。在D類(lèi)放大器中，這些是由缺陷造成的，包括有限的開(kāi)關(guān)時(shí)間、過(guò)上/下沖和電源波動(dòng)。要將這些影響降至最低水平，就需要仔細設計適當的誤差放大器，它能夠通過(guò)比較輸入和輸出音頻信號來(lái)修正輸出級內的缺陷。然而，A類(lèi)或AB類(lèi)設計所用的典型誤差放大器不適于D類(lèi)音頻放大器的嘈雜環(huán)境。購買(mǎi)合適的運算放大器和確保足夠高的抗噪性可能會(huì )很困難而且代價(jià)高昂。

就噪聲隔離而言，D類(lèi)拓撲要求前、后端要盡可能地靠近彼此。在分立式解決方案中，設計者必須決定如何將輸入端的噪聲敏感型模擬電路與輸出級產(chǎn)生的潛在破壞性開(kāi)關(guān)噪聲隔離開(kāi)來(lái)。集成式D類(lèi)放大器模塊讓設計者能夠繞開(kāi)這些挑戰。然而，利用適當的器件在2個(gè)電路之間實(shí)現充分的電隔離至關(guān)重要。

PWM比較器和電平移位

誤差放大器處理完輸入音頻信號并產(chǎn)生形狀適當的輸出之后，比較器會(huì )將該模擬信號轉換成脈寬調制(PWM)信號。

柵極驅動(dòng)和MOSFET開(kāi)關(guān)

柵極驅動(dòng)級接收來(lái)自于比較器的PWM信號。這個(gè)階段，在高端和低端MOSFET的導通相之間插入死區時(shí)間，用以防止過(guò)大的電流流過(guò)電橋。死區時(shí)間消除了輸出MOSFET開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間的影響，開(kāi)關(guān)延遲會(huì )產(chǎn)生破壞性直通電流通行，因此能夠保證安全操作。然而，插入死區時(shí)間還會(huì )導致非線(xiàn)性，從而產(chǎn)生不必要的失真。

精確的柵極控制是實(shí)現高音頻性能的關(guān)鍵。柵極驅動(dòng)器必須具有脈寬失真低的特性，并且高、低端柵極驅動(dòng)器級之間要匹配。這2個(gè)特性對于將死區時(shí)間最小化以便實(shí)現線(xiàn)性放大器性能而言至關(guān)重要。事實(shí)上，死區時(shí)間插入通常被視為D類(lèi)放大器交換級設計中最關(guān)鍵的部分。

保護電路

由于MOSFET的功耗與負載電流的平方成正比，所以保護電路通常要監測負載電流，以便防止在過(guò)載條件下發(fā)生MOSFET故障。外部分流電阻器通常用于負載電流檢測，但是電阻選擇和噪聲濾波等方面也很關(guān)鍵。這會(huì )增加整個(gè)解決方案的成本和物理尺寸，并且會(huì )拖延項目完成時(shí)間。

還需要保護電路來(lái)解決由于功率級的關(guān)鍵電流環(huán)路通道內的雜散電感而產(chǎn)生的其它開(kāi)關(guān)噪聲的影響。

D類(lèi)音頻放大器IC

為了幫助音頻工程師迅速完成D類(lèi)設計和避開(kāi)原型開(kāi)發(fā)過(guò)程中的陷阱，IR利用其在功率集成方面的專(zhuān)業(yè)知識制定了D類(lèi)音頻IC的發(fā)展路線(xiàn)圖，向著(zhù)在單個(gè)封裝內實(shí)現完整D類(lèi)放大器的方向邁進(jìn)。

該系列的首款器件為IRS2092音頻驅動(dòng)器，具有受保護的PWM開(kāi)關(guān)功能。它設計用于連接從IR 50W~500W目標應用中選擇的外部數字音頻MOSFET。這些器件讓設計者能夠采用芯片集成法實(shí)現比類(lèi)似的AB類(lèi)設計小得多的D類(lèi)音頻解決方案。利用IRS2092驅動(dòng)2個(gè)IRF6645 DirectFET音頻MOSFET讓設計者能夠創(chuàng )造板空間小60%、典型物料成本低20%的100W放大器。

IRS2092整合了誤差放大器、PWM比較器、具有死區時(shí)間插入功能的MOSFET變換級和過(guò)載保護功能，這些都是D類(lèi)放大器的主要功能元件。圖2中的模塊簡(jiǎn)圖介紹了這些功能。

圖2：IRS2092 D類(lèi)放大器IC的模塊簡(jiǎn)圖。

內置式誤差放大器基于優(yōu)化的、帶寬為9MHz的高抗噪性運算放大器，讓設計者能夠實(shí)現遠低于0.01%的音頻失真(THD)。然后，PWM比較器將模擬信號轉換成傳播延遲短的PWM，這讓設計者能夠自由地優(yōu)化反饋環(huán)路。通常，一部分開(kāi)關(guān)信號被反饋給誤差放大器的輸入端，并利用低通濾波器進(jìn)行預處理。然而，可以通過(guò)拉近來(lái)自于輸出端的反饋之間的距離來(lái)降低失真和負載依賴(lài)度。IRS2092讓設計者能夠從任意被認為是最佳的點(diǎn)獲得反饋和增加穩定性補償，從而實(shí)現發(fā)燒友級諧波失真和噪聲(THD + N)性能。

高壓電平移位器將接地參考數字信號轉換成以高端和低端MOSFET的各個(gè)源為參考的柵極驅動(dòng)信號，從而無(wú)論各端存在著(zhù)怎樣的電壓差異都能夠準確地轉發(fā)PWM信號，正如理想的差分放大器那樣。獲得專(zhuān)利的結隔離法能夠防止輸出電路產(chǎn)生的噪聲干擾輸入信號。

在柵極驅動(dòng)級的各個(gè)導通狀態(tài)之間插入死區時(shí)間，以便防止高、低端MOSFET內同時(shí)出現導通狀態(tài)。事實(shí)上，IRS2092讓設計者能夠根據所選MOSFET選擇死區時(shí)間的長(cháng)短。保證期限讓設計者免去了評估最差情況的環(huán)節。

跟分立式解決方案不同，IRS2092中內置了過(guò)載保護，可以監測輸出電流，并且如果超過(guò)了預定的閾值，還可以關(guān)閉PWM。

其它與功率變換級設計關(guān)系緊密的重要放大器特性包括消除脈寬調制器產(chǎn)生的EMI的措施，以及用于在啟動(dòng)和關(guān)閉過(guò)程中降低開(kāi)關(guān)噪聲的電路。通過(guò)在內部實(shí)現這些特性，IRS2092進(jìn)一步降低了設計開(kāi)銷(xiāo)和元件數量。這種方法解決了與D類(lèi)放大器有關(guān)的功率電子設計挑戰，為工程師應用專(zhuān)業(yè)音頻技巧進(jìn)一步提升性能打下了基礎。

實(shí)際的集成式放大器

為了給設計者提供進(jìn)一步的幫助，IR證明這種方法也適用于120W雙通道半橋參考設計IRAUDAMP5。在利用IRF6645 DirectFET MOSFET驅動(dòng)4Ω揚聲器負載內的2x60W時(shí)，放大器在輸出端實(shí)現了極低的THD+N(0.005%)。并且，在120W下實(shí)現了96%的通道效率。參考設計可以為選擇反饋(來(lái)自于功率輸出級)通道內所需的外部集成器元件和RC濾波器元件提供指導。并且，還提供了全部所需家用電源、優(yōu)化的板布局、PCB制造詳情和物料清單。設計無(wú)需散熱器即可在1/8連續額定功率下正常運行，并且輸出功率和通道數量均可擴展。

音頻放大器設計的另一個(gè)重要方面是保證啟動(dòng)和關(guān)閉規程的正確性，防止這些間隔期間出現的瞬態(tài)通過(guò)輸出揚聲器產(chǎn)生聽(tīng)得到的開(kāi)關(guān)噪聲。傳統地，通過(guò)插入只有在啟動(dòng)瞬態(tài)通過(guò)之后將揚聲器與音頻放大器連接到一起，并在關(guān)閉放大器之前斷開(kāi)揚聲器連接的串聯(lián)繼電器來(lái)將這些瞬態(tài)摒除在揚聲器之外。由于IRS2092集成了開(kāi)關(guān)噪聲消除功能，所以IRAUDAMP5無(wú)需任何串聯(lián)繼電器即可斷開(kāi)揚聲器，防止產(chǎn)生聽(tīng)得見(jiàn)的瞬態(tài)噪聲。

單封裝D類(lèi)放大器

利用這種方法，下一級集成是在相同的封裝內添加針對數字音頻應用進(jìn)行了優(yōu)化的功率MOSFET，以及PWM控制器、柵極驅動(dòng)器電路和集成式保護特性。IR的最新PowIRaudio系列集成式功率模塊實(shí)現了這一目標，讓設計者能夠為面向高性能高保真音響、家庭影院系統和汽車(chē)音響等應用的高效放大器進(jìn)一步減少元件數量，并且將電路板尺寸縮小了70%之多。

該系列的4款PowIRaudio器件包括IR4301M、IR4311M、IR4302M和IR4312M，支持35W/4Ω~130W/4Ω全橋和半橋拓撲，讓設計者能夠配置2.1通道、5通道、6通道和7.1通道應用。這些器件具有很寬的工作電壓范圍，IR4301/4302和IR4311/4312的工作電壓分別高達62V/±31V和32V/±16V。該系列共有的其它重要特性包括過(guò)流保護、熱關(guān)斷、內部/外部關(guān)斷和浮動(dòng)差分輸入。IR4302和IR4312還具有芯片檢測功能。

利用這些器件，設計者可以構建面向典型音樂(lè )回放應用的放大器，其無(wú)需機械散熱器并且能夠實(shí)現出色的音頻性能，例如THD+N低至0.02%�？刂破鱅C的高抗噪性保證在各種環(huán)境條件下均能實(shí)現可靠操作。這些器件采用散熱型PQFN封裝，尺寸為5mm x 6mm(IR4301/4311)和7mm x 7mm(IR4302/4312)，因此實(shí)現了IR高級D類(lèi)組合封裝解決方案優(yōu)勢最大化。

為了幫助完成定制設計，共提供了6個(gè)參考設計，利用了采用單端和獨立電源配置的IR4301和IR4302，以及采用單端電源的IR4311和IR4312。這些設計面向35W、70W、100W和130W應用，包括帶和不帶散熱器的配置。采用IR4302、面向100W雙通道無(wú)散熱器放大器的IRAUDAMP17參考設計如圖3所示。

圖3：采用IR4302的100W雙通道D類(lèi)參考設計。

放大器功耗與THD+N性能的關(guān)系如圖4所示，效率與功耗的關(guān)系如圖5所示。

圖4：采用IR4302的IRAUDAMP17參考設計的THD+N與功耗的關(guān)系。

圖5：采用IR4302的IRAUDAMP17參考設計的效率與功耗的關(guān)系。

通過(guò)簡(jiǎn)化新一代交鑰匙D類(lèi)芯片放大器的獲得方法，這些參考設計能夠幫助設計者克服散熱挑戰，在適用于家庭影院和電視、音頻擴展、有源音箱、樂(lè )器和售后市場(chǎng)汽車(chē)系統等產(chǎn)品的、寬額定音頻輸出功率范圍內實(shí)現小型化設定新標準。

利用這種方法，設計者可以保證在合理的時(shí)間窗口內完成各個(gè)項目，實(shí)現規定的音頻質(zhì)量目標，同時(shí)還能為產(chǎn)品小型化設定新標準和實(shí)現極具競爭力的價(jià)格。