D類功率放大器

本文介紹如何使用高電壓 GreenPAK? IC 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的 D 類功率放大器。D 類放大器的工作原理是從連續(xù)控制信號(hào)中導(dǎo)出兩態(tài)信號(hào)并使用電源開關(guān)將其放大。每個(gè)D 類放大器的核心是至少一個(gè)比較器和一個(gè)開關(guān)功率級(jí)。除了成本最低的功率放大器外，其他所有放大器都添加了無源 LC 濾波器。

下面總結(jié)了 D 類放大器與傳統(tǒng) AB 類放大器的優(yōu)缺點(diǎn)。

AB類

優(yōu)點(diǎn)：最低失真——高保真度的總諧波失真加噪聲 (THD + N) 小于 0.1%。

缺點(diǎn)：效率低——最大可能的效率約為 60%。耗電高，發(fā)熱顯著。它的尺寸也更大。

D級(jí)

優(yōu)點(diǎn)：效率高——大于 90%。更低的功耗和更低的發(fā)熱量。尺寸更小。在小封裝中具有極高的功率潛力（400 至 500 W）。

缺點(diǎn)：產(chǎn)生高頻噪音。

最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用帶三角波（或鋸齒波）振蕩器的脈寬調(diào)制 (PWM)。圖 1 顯示了基于 PWM 的半橋 D 類放大器的簡(jiǎn)化框圖。它由一個(gè)脈寬調(diào)制器、兩個(gè)輸出 MOSFET 和一個(gè)外部低通濾波器（L _F和 C _F）組成，用于恢復(fù)放大的音頻信號(hào)。如圖所示，兩個(gè) MOSFET 通過將輸出節(jié)點(diǎn)交替連接到 V _DD來作為電流導(dǎo)向開關(guān)工作和地，因此 D 類放大器的最終輸出是高頻方波。輸出方波由輸入音頻信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制。PWM 是通過將輸入音頻信號(hào)與內(nèi)部生成的三角波（或鋸齒波）振蕩器進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)的。產(chǎn)生的方波占空比與輸入信號(hào)的電平成正比。當(dāng)沒有輸入信號(hào)時(shí)，輸出波形的占空比等于 50%。圖 2 說明了由于輸入信號(hào)電平變化而產(chǎn)生的 PWM 輸出波形。

這種基本拓?fù)溆幸恍┤秉c(diǎn)：非常低的電源抑制比和高 THD。輸出信號(hào)的質(zhì)量高度依賴于三角波的線性度和穩(wěn)定性，這使電路顯著復(fù)雜化。
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圖 1：半橋 D 類放大器，基本拓?fù)?/font>

圖 2：輸出信號(hào)脈沖寬度隨輸入信號(hào)成比例變化

D 類音頻放大器最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一稱為自振蕩。自振蕩 D 類音頻放大器的特點(diǎn)是開環(huán)帶寬等于開關(guān)頻率，這與傳統(tǒng)的 PWM 放大器不同，傳統(tǒng) PWM 放大器的環(huán)路帶寬通常限于開關(guān)頻率的十分之一。這種增加的環(huán)路帶寬在低頻下提供了有價(jià)值的環(huán)路增益，這有利于降低總諧波失真 (THD)。

有多種設(shè)計(jì)自振蕩 D 類功率放大器的方法，例如：

滯后切換，見圖 3。

該電路的明顯缺點(diǎn)是開關(guān)頻率隨電源電壓的變化而變化。可以通過使用開關(guān)波形本身作為遲滯反饋來進(jìn)行微小的修改。沿著這些路線構(gòu)建的放大器通常會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)可觀的性能，這是這種安排的流行原因。這里最重要的問題是產(chǎn)生的最小脈沖寬度僅為空閑脈沖寬度的一半。工作頻率隨調(diào)制指數(shù)波動(dòng)很大，遵循拋物線，在零調(diào)制時(shí)達(dá)到最大值，在最大調(diào)制時(shí)達(dá)到零。結(jié)果是調(diào)制接近削波，因?yàn)殚_關(guān)頻率穿過音頻頻帶。

圖 3：遲滯開關(guān)拓?fù)?/font>
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圖 4：遲滯開關(guān)放大器輸出信號(hào)

移相控制振蕩

圖 5：相移控制振蕩拓?fù)?/font>

圖 6：相移控制的振蕩放大器輸出信號(hào)

一種在不使用滯后的情況下獲得自振蕩的方法采用反饋網(wǎng)絡(luò)的相移來產(chǎn)生穩(wěn)定的自振蕩。放大器將以反饋網(wǎng)絡(luò)具有 180 度相移的頻率振蕩。這種方法的一個(gè)相當(dāng)令人愉悅的特性是，與滯后調(diào)制器相比，可以使開關(guān)頻率穩(wěn)定得多。理論上，最大調(diào)制時(shí)的最小脈沖寬度變?yōu)榱悖▽?shí)際上，大約是有源電子設(shè)備傳播延遲的兩倍）。在此過程中，開關(guān)頻率仍會(huì)降至零，但時(shí)間會(huì)很晚，屆時(shí)載波中的能量將少得多。通過二階濾波器重建后，殘差的幅度幾乎保持不變。即使在仔細(xì)聆聽的條件下，

相位控制的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是調(diào)制本質(zhì)上是非線性的，在大調(diào)制指數(shù)時(shí)會(huì)增加失真。

然而，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了適用于大多數(shù)應(yīng)用的簡(jiǎn)單低成本解決方案。對(duì)于 HV PAK 設(shè)計(jì)，請(qǐng)參閱第 1.1 節(jié)和第 1.2 節(jié)。

使用重構(gòu)濾波器的相移控制

重構(gòu)濾波器的相移通常被視為負(fù)擔(dān)，很少被視為優(yōu)勢(shì)。二階濾波器對(duì)于構(gòu)建移相控制放大器非常有趣。需要提醒的是，開關(guān)頻率設(shè)置得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出濾波器的轉(zhuǎn)角頻率。在任何足夠高的頻率下，二階低通濾波器都會(huì)產(chǎn)生接近 180 度的相移。變化的負(fù)載條件只會(huì)影響到幾度的數(shù)量級(jí)。

然而，圍繞這樣的過濾器關(guān)閉負(fù)反饋循環(huán)是不夠的。振蕩發(fā)生在恰好 180 度的相移（其他 180 度由極性反轉(zhuǎn)提供），這只發(fā)生在無窮遠(yuǎn)處。一個(gè)額外的網(wǎng)絡(luò)是為了使相移遠(yuǎn)離低于所需開關(guān)頻率的 180 度，而另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)則將其推到該頻率以上。任何實(shí)際電路都已經(jīng)免費(fèi)提供后者。比較器和功率級(jí)的組合傳播延遲構(gòu)成與頻率成正比的相移。前者可以像反饋路徑中的相位超前網(wǎng)絡(luò)一樣簡(jiǎn)單。

圖 7：使用重構(gòu)濾波器拓?fù)涞南嘁瓶刂?/font>

由于在任何有用的振蕩頻率下，輸出濾波器的相移為 180 度，因此將在傳播延遲和相位超前抵消的頻率處發(fā)生振蕩。應(yīng)注意確保在任何實(shí)際負(fù)載條件下都不存在具有 180 度相移的第二個(gè)點(diǎn)，因?yàn)樵擖c(diǎn)肯定是物理諧振頻率濾波器。如果不這樣做，通常會(huì)導(dǎo)致放大器在沒有連接負(fù)載的情況下第一次過載時(shí)失效。請(qǐng)參見圖 8，其中 H _lpf是 LC 濾波器的傳遞函數(shù)，而 H _fbn是反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)Delay(s) 是表示傳播延遲的線性相移函數(shù)。

圖 8：相移

使用重構(gòu)濾波器拓?fù)涞南嘁瓶刂票戎懊枋龅耐負(fù)溆泻艽蟮膬?yōu)勢(shì)。負(fù)反饋回路包含重建濾波器，這允許完全補(bǔ)償任何非線性。使用這種拓?fù)湓O(shè)計(jì)的放大器能夠產(chǎn)生極低的 THD+N，可以與 AB 類競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)具有 D 類的所有優(yōu)點(diǎn)。

一、設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)

完整的電路設(shè)計(jì)文件可以在這里找到。它是使用GreenPAK Designer 軟件制作的。

1.1. 簡(jiǎn)單的移相控制振蕩放大器

使用 HV PAK 構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的相移控制振蕩放大器至少需要兩個(gè)宏單元：ACMP 和 HV OUT CTRL。圖 10 顯示了此類設(shè)備的 GreenPAK Designer 項(xiàng)目。該放大器提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，需要更少的外部組件，這意味著更少的 PCB 表面。可以看出，該項(xiàng)目?jī)H使用了一個(gè)高壓橋（單聲道）。另一個(gè)通道可用作第二個(gè)通道（立體聲）或驅(qū)動(dòng)電機(jī)或螺線管，例如，在對(duì)講設(shè)備中鎖定/解鎖門。此外，該設(shè)計(jì)在低電平有效的 PIN 2 上具有使能功能。該原理圖具有相對(duì)較高的振蕩頻率，接近 680 kHz，但在這種情況下，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。頻率越高，輸出濾波器 L1、L2 和 C4 越小。圖 9 顯示了測(cè)試 PCB 及其尺寸。如果需要的話，

該放大器具有以下特點(diǎn)：

電源電壓 – 3.5 V 至 5 V
電流消耗（無輸入信號(hào)）– 3.2 mA
待機(jī)電流（啟用 – 低） – 0.82 mA
輸出功率（電源 – 5V，負(fù)載 – 4 歐姆） – 3 W（最大）
增益 – 20 dB
輸入電阻 – 5.6 kOhm

圖 9：測(cè)試 PCB。上 - 左，下 - 右
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圖 10：簡(jiǎn)單的相移控制振蕩放大器項(xiàng)目

此外，如前所述，該設(shè)計(jì)可以選擇通過 HV OUT CTRL1 橋來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、螺線管、繼電器或類似設(shè)備。在這種情況下，它被配置為兩個(gè)獨(dú)立的半橋，可以單獨(dú)控制。PIN 20 控制輸出到 PIN 9 的半橋，PIN 17 控制輸出到 PIN 10 的半橋。PIN 14 用于啟用橋（高電平有效）。

1.1.1 宏單元配置?

表 1：PIN 設(shè)置
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表 2：LUT 設(shè)置
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表 3：ACMP 設(shè)置
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表 4：高壓輸出設(shè)置

1.2 無輸出濾波器的移相控制振蕩放大器?

從之前的設(shè)計(jì)中可以看出，盡管外部元件數(shù)量少且 HV PAK 封裝尺寸小，但該器件占據(jù)了 PCB 面積的很大一部分。雖然可以將電阻器和電容器的尺寸減小到 0201（而不是 0805），但除了 R5，由于大電流，不可能使用更小的電感 L1 和 L2。下一個(gè)設(shè)計(jì)允許解決此問題。

在全橋 D 類放大器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻和低頻信號(hào)在電橋輸出端都被反轉(zhuǎn)。因此，輸出濾波器可防止負(fù)載分流高頻信號(hào)。

如圖 11 所示，該設(shè)計(jì)提供了一種解決方案，其中兩個(gè)輸出（PIN 7 和 PIN 8）上的高頻信號(hào)同相，因此電流不會(huì)流過負(fù)載。同時(shí)，這些引腳上的音頻信號(hào)將相互反轉(zhuǎn)。

圖 11：無輸出濾波器項(xiàng)目的移相控制振蕩放大器

與前一個(gè)設(shè)計(jì)相比，此設(shè)計(jì)使用了更多的外部組件，但由于沒有兩個(gè)電感器，因此 PCB 占用空間更小，請(qǐng)參見圖 12。

圖 12：不帶輸出濾波器的測(cè)試 PCB。上 - 左，下 - 右

該器件的工作方式與前一章中描述的放大器相同，但 HV 輸出配置為兩個(gè)獨(dú)立的半橋。這允許獨(dú)立控制兩個(gè)輸出。每個(gè)半橋使用兩個(gè) ACMP，構(gòu)建了兩個(gè)相同的振蕩器，它們由電容器 C3 同步。這導(dǎo)致兩個(gè)輸出上的相同（同相）方波電壓。這意味著輸出引腳可以短接，不會(huì)泄漏高頻電流。

同時(shí)，音頻信號(hào)被引入到兩個(gè) ACMP 的相反輸入端。這導(dǎo)致輸出信號(hào)被反相調(diào)制。因此，只有低頻電流會(huì)流過負(fù)載，從而無需輸出濾波器。

該放大器具有以下特點(diǎn)：

電源電壓 – 3.5 V 至 5 V
電流消耗（無輸入信號(hào)）– 2.1 mA
待機(jī)電流（啟用 – 低） – 0.82 mA
輸出功率（電源 – 5V，負(fù)載 – 4 歐姆） – 3 W（最大）
增益 – 20 dB
輸入電阻 – 2 kOhm

表 5：PIN 設(shè)置

表 6：LUT 設(shè)置

表 8：高壓輸出設(shè)置

結(jié)論

可以看出，使用高電壓 GreenPAK IC 構(gòu)建簡(jiǎn)單的低成本 D 類放大器非常容易。本文檔中顯示的兩種設(shè)計(jì)都是可基于SLG47105構(gòu)建的器件的最簡(jiǎn)單版本。它們不打算成為 Hi-Fi 設(shè)備的一部分，但仍可用于便攜式音頻設(shè)備、對(duì)講機(jī)、門鈴等。第 1.1 節(jié)中描述的放大器可以修改為立體聲放大器，或者其余的全電橋（或兩個(gè)半橋）可用于驅(qū)動(dòng)任何大電流負(fù)載，例如直流電機(jī)、螺線管、繼電器、大功率 LED 等。最后一條語(yǔ)句也適用于第 1.2 節(jié)中描述的放大器。

審核編輯：劉清