作为一种新型的功放电路,D类功放(CLASS-D,俗称数字功放)凭借优秀的指标及性能,给功率放大器市场带来一阵清风,给很多音频电路设计者带来一阵兴奋和希望。我从05年就开始研究D类功放与其相关的产品,几年下来却发现,D类放大器部分指标的优秀,掩盖不了它在市场中的定位的尴尬,其大量普及,尚需时日。
先说D类功放最大的卖点----效率。这里的效率是指电声转换效率,功放简单说就是一个把电能转变成声能(声音)的工具,理论上说,最理想的功放就是把100%的电能转变为声能,即效率为100%,但实际应用中,A类(甲类)功放的效率只有不到10%,而常用的AB类功放只有30-40%,另外60-70%的电能哪里去了呢?发热了。所以,A类功放或AB类功放在应用中,散热是一个重要的设计内容,这类产品必须要加上或大或小的散热器。但D类功放却有着独特的优势,其转换效率高达80-90%,只有10-20%的电能转变成了热量,由于发热很少,基本不需要加散热器,只要在PCB(印刷线路板)设计中预留一点铜箔散热就足够了。同样的道理,因为电能的高度“节约”,在一些供电电流不大或者电量不充裕的使用场合,比如USB供电(电流最大500mA)和电池供电的应用中,D类功放是最合适不过的了。
遗憾的是,以上就是D类功放所有的优点,说完了这个优点,就很难再找到其他优点了,该说一下缺点了。
第一点,D类功放的窄电源特性,目前使用最普遍的小功率D类功放供电电压多在4.5-5.5V之间,超过6V就很容易烧坏,而目前的D类功放很少有过压保护,电压一高就玩完了,机器必然返修。当然有9V以上的大功率D类功放,这类功放又不能使用5V供电(USB电压无法兼容,失去很多应用机会),因此必须要配专用电源,而且该类功放在实际使用中,由于功率较大,体积又很小,因此发热量也不小,一个散热器还是必须的,这块成本又省不下来了。
第二点,D类功放的失真敏感性。注意,我在这里使用了一个新词“失真敏感性”。就是专门针对D类功放的失真度的。推广D类功放的芯片公司除了喜欢标榜刚才我提到的“高效率”,还喜欢说D类功放失真度很低,一般不到1%。事实上,1%的失真度指标是非常理想的,AB类功放1%的失真度是几乎听不出来的,而国标也只是要求在10%以内就许可。但D类功放就不行了,1%的失真已经能听出来有些杂音或破音,如果要达到10%,估计来听音的消费者已经落荒而逃了。所以在失真度方面,D类功放不但没优势,而是大大的劣势。
第三点,D类功放的价格。这里的价格分为两部分,一部分是芯片本身的价格,另外一部分是外围部件的价格,外围部件的价格又分为两部分,一个是供电的电源,一个是低通滤波器(LPF)。先说芯片价格,现在的D类功放的价格已经是大幅度下降了。以小功率D类功放(2W+2W)为例,05年德州一起的TPA2000系列价格在15元人民币左右,而台湾的类似产品在8元左右。而现在的价格仅仅要3-4元。大功率的仍然要9-10元。尽管比以前有了明显下降。但相比成熟的AB类功放。价格仍然偏高。比如现在使用量很大的2025(KA2206),电压范围3-12V,音质两好,价格只要不到0.7元,最大的缺点是供电电压比较高的应用下,发热较大,需要良好的散热。另外就是体积偏大,适合在空间比较充足的产品中应用。D类功放的外围部件电源和低通滤波器,其实并不节约。尽管D类功放因为效率高,很多人以为对电源的电流要求并不高,但事实并非如此。D类功放在播放大动态低频音乐的时候,电流其实也是非常大的,如果电源电流不够,其实一样不能使用,而电源的电流是和价格成正比的。低通滤波器也比较尴尬,尽管现在D类功放宣称使用了无滤波器设计,但在实际应用中,尽管不使用滤波器对音质的影响并无明显影响。但无滤波器带来的另外一个问题就是EMI(电磁兼容)的不合格,作为一个正规的设计,低通滤波器其实还是不能节省。考虑以上几个方面,D类功放的应用成本还是偏高。
综上所述,我们不难发现,D类功放并没有宣称的那么好,也不可能在将来革了普通功放的命,只有将D类功放做彻底的分析研究,了解了它的优势和劣势,扬长避短,才能把它的优势真正发挥出来。个人觉得,D类功放最适合的应用产品就是电池供电的便携产品,这类产品往往体积较小,不适合放体积较大的功放和散热器,D类功放的小体积和无需散热器的特点就非常适合。再加上D类功放非常省电,特别适合电池长时间播放。再加上便携音响产品对音质尤其是低频要求不高,所以D类功放最适合用在此类产品中。而大功率的D类功放,除非也是多组电池供电(这类产品较少),如果使用外接电源,大功率的D类功放就无必要(除非是无散热器设计),所以相比小功率D类功放,大功率D类功放更加尴尬。能使用5V供电的小功率D类功放还有个普遍的应用就是在笔记本音箱上(使用USB供电),D类功放能把USB的500mA电流充分应用好。但由于其过高的失真敏感性,声音大的时候,听感往往不如CMOS工艺的AB类功放(如4863、2038等),而CMOS工艺的AB类功放也具备小体积的优点,和D类功放相比唯一的缺点就是发热稍多。所以在笔记本音箱上,更多的厂家愿意使用这类功放。因此,D类功放的应用范围其实被压缩的很厉害,现在的处境其实是有些尴尬的,其实D类功放想有所突破,最需要解决的就是把电压范围做宽,哪怕做到6V能稳定工作,当然涉及到半导体工艺,电压范围做宽可能确实很难,但加上过压保护总是可以的吧。同时把功率做大些,加大的功率并不一定要用完,是用来做功率裕量用的-------我的经验,D类功放必须5W的当3W甚至2W来用,才可能听不到明显的失真,或者学习德州仪器的TPA0202低失真设计技术,才可能真正得到让消费者接受的音质。D类功放也才能得到真正大量普及。