本文探討D類(lèi)音頻功率放大器的兩種常見(jiàn)PWM調制方式：開(kāi)環(huán)定頻和閉環(huán)自激式調制方式。由于調制方式不同，PWM的波形也各有不同，而對系統的失真方面也有著(zhù)不一樣的影像。本文針對不同的調制方式，分別分析其工作原理，總結出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)數學(xué)建模，通過(guò)軟件仿真對結果進(jìn)行分析。仿真可為工程技術(shù)人員提供了高速快捷的調試途徑，并可預先對系統狀況進(jìn)行評估，找到最薄弱環(huán)節，對于改進(jìn)系統性能提供幫助。

　　1.引言

　　音頻功率放大器主要歸結為四大類(lèi)：

　　Class A、Class B、Class AB、Class D.

　　CLASS A是一種完全的線(xiàn)性放大形式的放大器。采用單個(gè)晶體管放大，發(fā)熱大效率低，但失真率極低。Class B也被稱(chēng)為線(xiàn)性放大器，使用兩個(gè)晶體管對正負信號進(jìn)行線(xiàn)性放大，無(wú)信號時(shí)正負通道處于關(guān)閉的狀態(tài)，即無(wú)功率損失，易產(chǎn)生跨越失真。Class AB兼具A類(lèi)與B類(lèi)功放的優(yōu)勢的一種設計。與B類(lèi)相同的是采用兩個(gè)晶體管放大正負信號，不同的則是在兩者交越處附近使得兩個(gè)晶體管均有微弱導通以克服B類(lèi)功放的交越失真。

　　因此AB類(lèi)具備B類(lèi)效率的同時(shí)，失真度很接近A類(lèi)功放。而D類(lèi)功放與其他功放類(lèi)型有著(zhù)完全不同的工作原理，它采用高速開(kāi)關(guān)管對信號進(jìn)行放大。由于開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗極小，效率通�？蛇_到90%以上，而且體積和重量方面也極具優(yōu)勢。近些年，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展以及環(huán)保節能成為全球的主基調，D類(lèi)功放越來(lái)越流行，并迅速成為功率放大器的主流類(lèi)型。其中關(guān)于如何進(jìn)一步提高D類(lèi)功放的效率以及D類(lèi)功放的性能也成為廣大工程技術(shù)人員的方向和目標。而其中PWM調制技術(shù)也就孕育而生。

　　2.D類(lèi)功放

　　2.1 拓撲結構

　　D類(lèi)功放主要分為半橋、半橋并聯(lián)、全橋、全橋并聯(lián)。

　　2.2 系統結構

　　D類(lèi)功放系統按照結構可以分為：信號處理部分、脈寬調制部分、驅動(dòng)部分、功率輸出部分（見(jiàn)圖1-2）。信號處理部分進(jìn)行噪聲濾除和增益調節，有些內置音效的功率放大器，會(huì )在該部分加入音效處理。脈寬調制部分負責將模擬音頻信號調制成PWM信號。PWM信號通過(guò)驅動(dòng)電路和功率輸出部分，放大PWM信號并通過(guò)LC低通濾波獲得所需的模擬放大信號用以推動(dòng)喇叭發(fā)出聲音。

　　PWM信號直接關(guān)系到模擬放大部分的失真度。在其它部分相同的情況下，采用不同的調制方式有著(zhù)不同的結果，而相同的調制方式在不同的調制參數下結果也不盡相同。

　　3.PWM調制類(lèi)型

　　PWM技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，現在已經(jīng)較為成熟。通過(guò)對PWM部分進(jìn)行改進(jìn)，也衍生了較多的所謂E類(lèi)G類(lèi)T類(lèi)功放。而就基本原理而言，他們仍然屬于D類(lèi)功放。定頻脈寬調節由于結構簡(jiǎn)單，在過(guò)去的D類(lèi)功放產(chǎn)品中占據了主要地位，特別是中小功率的D類(lèi)功放中尤為常見(jiàn)。帶反饋的自激式脈寬調制則多在500瓦甚至更高的功率上使用。

　　3.1 定頻脈寬調制

　　3.1.1 基本原理

　　定頻調制的基本原理是：采用三角波作為載波，將被放大信號一同輸入比較器進(jìn)行比較，得到寬窄不一但周期一致的脈沖波形（見(jiàn)圖1-1）。此種波形在頻譜中含有大量的信號頻譜成分，通過(guò)適當的濾波器便可還原成原始信號波形。圖2-1中給出了雙極性SPWM調制的時(shí)序波形。

　　3.1.2 應用分析

　　在定頻PWM調制中，采用開(kāi)環(huán)方式最多。由于輸出信號沒(méi)有參與PWM調制，該類(lèi)功放產(chǎn)品結構較為簡(jiǎn)單，調試也較為方便。

　　但是所帶來(lái)缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：由于沒(méi)有帶反饋，系統較容易被干擾到，特別是電源的波動(dòng)，嚴重的制約著(zhù)這類(lèi)功放的性能。保證足夠穩定的電源也是該類(lèi)功放獲取良好性能的必備條件。但是由于頻率固定在大功率輸出時(shí)，對于功率輸出開(kāi)關(guān)管提出了更高的要求。在EMC方面也顯現出來(lái)不足：在輸出開(kāi)關(guān)噪聲的功率譜中，也較為集中在載波頻率的奇次諧波當中。

　　3.1.3 改善與發(fā)展

　　閉環(huán)定頻調制則是開(kāi)環(huán)定頻調制的改良版本。通過(guò)引入負反饋，可以降低功放對于電源的依賴(lài)。由于引入負反饋，電源在一定范圍內的波動(dòng)，并不會(huì )引起功放輸出波形的變化。在一定程度上克服開(kāi)環(huán)定頻調制的缺陷，提高了系統的失真度指標。但是在大功率輸出和EMC方面仍然沒(méi)有任何的改善。

　　加入負反饋進(jìn)行調制在一定程度上可以提高THD方面的指標，但是依然不能改善EMC問(wèn)題以及解決大功率問(wèn)題。

　　3.2 閉環(huán)變頻自激脈寬調制

　　3.2.1 基本原理

　　變頻自激調制的基本原理是：利用負反饋系統輸出信號跟隨輸入信號的原理，通過(guò)積分延遲以及比較器整形輸出近似PWM波形。此種方式輸出的PWM波形隨著(zhù)輸入信號的變化，占空比在變化的同時(shí)輸入周期也在變化。由于在大信號積分過(guò)程需要更多的時(shí)間用以抵消誤差，積分周期的延長(cháng)導致PWM頻率變低。

　　3.2.2 應用分析

　　單閉環(huán)變頻自激調制，使用反饋環(huán)路結合運算放大器和比較器通過(guò)系統閉環(huán)自激的方式產(chǎn)生P W M波形，該方式由于P W M信號波形是由自激產(chǎn)生，省去了PWM控制器。而負反饋參與PWM調制，使得它有著(zhù)先天的高保真優(yōu)勢。同時(shí)由于信號不斷加大，反饋深度的加強，載波頻率不斷走低，降低了開(kāi)關(guān)頻率。相對于定頻PWM而言，而隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的降低也促使開(kāi)關(guān)損耗降低。在輸出同樣功率的前提下，此種PWM調制模式可以降低對MOSFET和散熱器的要求，同時(shí)成本也得到了很好的控制。

　　因此，該調制模式在大功率（300W）以上的功放產(chǎn)品中得到廣泛應用。由于輸出波形為交流信號，隨著(zhù)波形起伏，載波頻率隨之變化，載波頻率將在一個(gè)較大的范圍（如：200-400kHz）內波動(dòng)，EMC的噪聲頻率將會(huì )較均勻的分布在一定區域內。因此EMC方面的問(wèn)題也得到一定的改善。閉環(huán)反饋信號可以從LC濾波之前反饋，也可從負載喇叭端反饋。前者系統較為穩定，失真度稍遜。后者在負載有較大變化時(shí)，可能會(huì )出現不穩定的現象。由于反饋信號為喇叭端，所以L(fǎng)C的非線(xiàn)性失真能夠得到很好的抑制，因此失真度方面較有優(yōu)勢。

　　3.2.3 改善與發(fā)展

　　隨著(zhù)變頻自激調制方式的運用越來(lái)越多，相應的優(yōu)化技術(shù)也得到了發(fā)展。比較簡(jiǎn)單的如：積分環(huán)節使用二階積分電路。復雜的則是雙閉環(huán)是雙閉環(huán)的引入：既在LC濾波前反饋，又包含喇叭端的反饋。使用雙反饋的目的可以帶來(lái)穩定性和保真度方面的雙重好處。目前在少數發(fā)燒級功放產(chǎn)品上有應用。當然雙反饋對于參數的依賴(lài)和器件的模型化要求較高，各方面的精確性均會(huì )影響到實(shí)際效果。此種應用一旦被工程技術(shù)人員廣泛掌握，D類(lèi)功放的性能也將全面得到提升。

　　4.系統仿真

　　仿真采用MATLAB進(jìn)行仿真�；�本仿真環(huán)境為：電源電壓為+/-160V,負載阻抗40ohm;5000Hz音頻信號；調制載波頻率為200k-400kHz.濾波電感為60uH,濾波電容為0.2uF.主要測試指標為T(mén)HD.

　　4.1 定頻脈寬調試仿真

　　4.1.1 基于200kHz載波下的仿真結果及200kHz載波作為仿真分析案例，未加A記權情況下THD達到10%,該指標只能滿(mǎn)足入門(mén)級功放的標準。該圖3-2中的黃色部分波形線(xiàn)條上載波明顯且幅度較高。圖3-3中200kHz位置能量譜較高且集中，僅低過(guò)信號波形30dB.EMC方面具備較多的問(wèn)題。

　　4.1.2 基于200kHz載波下的仿真結果及分析

　　400kHz載波作為仿真分析案例，未加A記權情況下THD達到2.8%,該指標能夠滿(mǎn)足多數家庭功放的使用要求，但仍然不能應用于專(zhuān)業(yè)功放。載波峰值低于信號幅度40dB.

　　提高載波頻率后無(wú)論是在失真方面還是在EMC方面均有較高幅度的改善。由此可以判斷：使用更高頻率的載波將會(huì )進(jìn)一步提高功放性能。然而高頻率的載波需要更高快速的器件，在現有技術(shù)情況下將會(huì )遭遇成本大幅提升的問(wèn)題，且大功率的高速器件更是難以做大。

　　4.2 閉環(huán)自激變頻脈寬調制

　　比較器延遲不能高于30ns.空載400kHz載波，滿(mǎn)載200kHz時(shí)的仿真結果：

　　閉環(huán)自激調制模式下，頻率范圍在200-400kHz間移動(dòng)，未加A計權條件下THD達到了0.7%.在實(shí)際應用中加入A計權，THD可低于0.1%,即可滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)級HIFI功放的要求。載波頻譜分攤到各個(gè)頻率段，幅度低于信號幅度55dB,效果較理想。

　　5.結論

　　定頻脈寬調制結構簡(jiǎn)單，小功率應用成本低廉又可滿(mǎn)足多數普通用戶(hù)要求。自激變頻脈寬調制結構較復雜，在性能方面尤其大功率功放方面具備較高優(yōu)勢。根據用戶(hù)需求和應用領(lǐng)域，選擇最適合的，才是科技和應用的最佳結合點(diǎn)。