爱华网文/ 周颀 鲍雪晶 安徽电子信息职业技术学院
摘要：随着设计技术的不断进步，D类功率放大器的性能指标也逐渐接近AB类放大器。本文系统介绍了基于PWM调制的立体声 D 类音频功率放大器，该产品采用高效的 D 类工作模式，领先的音频性能，同时具有高效的抑制电路、极低的总谐波失真以及卓越的信噪比等特点。该放大器具有简易的面板布局和极低的电磁干扰 (EMI) ，可显著加速诸如 DLP、HDTV、液晶电视 (LCD) 以及等离子电视包含在内的大中型 DTV 屏幕数字多媒体的开发进程。
关键词： PWM调制；D 类音频功率放大器；高效的抑制电路；谐波失真
Abstract :With the continuous advancement of technology, design, D-type power amplifier performance is also moving into the Class AB amplifier. In this paper based on PWM modulation D stereo audio power amplifier, the product is highly efficient Class D mode, the leading audio performance, at the same time highly efficient suppression circuit, low total harmonic distortion and excellent signal to noise ratio and so on. The amplifier has a simple panel layout and low electromagnetic interference (EMI), can significantly speed up, such as DLP, HDTV, LCD TV (LCD) and plasma TV included the large and medium-sized screen DTV digital multimedia development process.
Key words: PWM modulation Class ；D audio power amplifier ；circuit inhibit efficient ；harmonic distortion
引言
传统的音频功率放大器主要有A 类、B 类、AB 类。这3类音频功率放大器各其优点,但也有一共同的缺陷,就是效率都低于50 % ,从而导致电池寿命减短、散热量增大.在电视机中应用时导致音效受其影响很大。 随着多媒体技术的进步,人们对音频功率放大器的要求更加趋向高效、节能和小型化,所以高效率D类音频功率放大器越来越受到人们的重视，例如目前市场推出的TPA3101D2为立体声无滤波 D 类音频功率放大器，无需外部散热片就能提供每通道高达 20W 的连续立体声输出功率，应用范围通常为对小尺寸外形与音频保真度方面有较高需求的 27 英寸以上的 数字电视。该功率放大器采用且斜边失真小于0. 1 %的双边三角波为载波的PWM 调制方式,能够在2. 5～5V 的电源电压下工作，且能为4 Ω 负载提供2W 的额定输出功率. 输出信号的失真度小于0.07%，所以具有极高的市场价值。
1 电路设计
1. 1 电路系统框图与原理
本文所设计的D 类音频功率放大器系统框图如图1 所示. 该系统主要由前置放大模块、PWM 调制模块、功率输出级模块3 大模块组成.同时,还包含2 路反馈,反馈环路1 由前置放大器构成积分器,保证了整个电路的稳定性和线性,反馈环路2 由2 个可调电阻构成,确定了整个系统的增益. 该系统工作原理:输入信号从Vin+ 和V in - 输入,经过前置放大得到2 个相位相反的信号,送到比较器与载波三角波比较得到PWM 调制信号,最后将PWM 调制信号输送到输出级驱动功率管。
图1 D 类音频功率放大器系统框图
由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载损耗大，降低放大器效率。
1.2 PWM 调制模块
PWM 调制模块包含提供载波的振荡器和PWM比较器2 个部分，PWM 调制一般采用三角波。
波作为载波信号,这里选用双边三角波作为载波, 调制级就是A／D转换，对输入模拟音频信号采样，形成高低电平形式数字PWM信号。图2中，比较器同向输入端接音频信号源，反向端接功放内部时钟产生的三角波信号。在音频输入端信号电平高于三角波信号时，比较器输出高电平VH，反之，输出低电平VL，并将输入正弦波信号转换为宽度随正弦波幅度变化的PWM波。这是D类功放核心之一，必须要求三角波线性度好，振荡频率稳定，比较器精度高，速度快，产生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入调制措施（参见文献[2]）。与单边三角波产生的调制信号相比, 它具有如下两个优点：a. 调制信息丰富,是单边三角波调制的两倍；b. 信号谐波的幅值衰减得更快, 减小了谐波失真。三角波振荡器电路简图如图3 所示。
图2 放大器中的三角波、音频正弦信号产生的PWM波形及其相互关系
图3 PWM比较器电路图
1．3 全桥输出级
输出级是开关型放大器，输出摆幅为VCC，电路结构如图3所示。将MOSFET等效为理想开关，关断时，导通电流为零，无功率消耗；导通时，两端电压依然趋近乎零，虽有电流存在，但功耗仍趋近零；整个工作周期，MOSFET基本无功率消耗，所以理论上D类功放的转换效率可接近100％，但考虑辅助电路功耗及MOSFET传导损耗，整体转换效率一般可达90％左右。因为转换效率很高，所以芯片本身消耗的热能小，温升也才很小，完全可以不考虑散热不良，因此被称为绿色能效D类功放。
1．4 负反馈
负反馈是LPF电路，将检测到的输出级音频成分反馈到输入级，与输入信号比较，对输出信号进行补偿、校正、噪声整形，以此改善功放线性度，降低电源中纹波(电源抑制比，PSRR)。负反馈可减小通带内因脉冲宽度调制、输出级和电源电压变化而产生的噪声，使输出PWM中低频成分总能与输入信号保持一致，以得到很好的THD，使声音更加丰富精确。
2 D类功放抑制电路设计关键
2.1 Deadtime(死区校正)
全桥MOSFET管轮流成对导通，理想状态一对导通，另一对截止，但实际上功率管的开启关断有一个过程。过度过程中，必有一瞬间，如图3所示，在IN1／IN3尚未彻底关断时IN2／IN4就已开始导通；因MOSFET全部跨接于电源两端，故极端的时间内，可能会有很大的电压电流同时加在4个MOSFET上，导致功耗很大，整体效率下降，而且器件温升加剧，烧坏MOSFET，降低可靠性。为避免两对MOSFET同处导通状态，引起有潜在威胁的很大短路电流，应保证一对MOSFET导通和另一对MOSFET截止期间有一个很短的停滞死区时间(Dead-time)，这个时间由Logic逻辑控制器控制，以有效保证一组MOSFET关断后，另一组MOSFET再适时开启，减小MOSFET损耗，提高放大器效率。
2.2 信噪比（snr）
为了避免音响产生的嘶嘶声，对于便携式应用的D功率放大器，snr通常应当超过90 db，对于中等功率设计snr应当超过100 db，对于大功率设计应当超过110 db。这对于各种放大器是可以达到的，但在放大器设计期间必须跟踪具体的噪声源以保证达到满意的总体snr。
2.3电源抑制(psr)
在数字多媒体电路中，电源噪声几乎直接耦合到输出扬声器，具有很小的抑制作用。发生这种情况是因为输出级晶体管通过一个非常低的电阻将电源连接到低通滤波器。滤波器抑制高频噪声，但所有音频频率都会通过，包括音频噪声。
如果不解决失真问题和电源问题，就很难达到psr优于10db，或总谐波失真（thd）优于0.1%，甚至会出现更坏的情况，thd趋向于有害音质的高阶失真。但是使用具有高环路增益的反馈电路就能对此有很大的帮助。lc滤波器输入的反馈会大大提高psr并且衰减所有非lc滤波器失真源。lc滤波器非线性可通过在反馈环路中包括的扬声器进行衰减。在精心设计的闭环d类放大器中，可以达到psr >； 60db和thd <；0.01%的高保真音质。
3 EMI 处理
自从D类放大器诞生以来，由于其自身的轨对轨（rail-to-rail）供电开关特性而引起的大量辐射EMI就一直存在并且成为困扰。在D类调制器中，通过将音频信号与高频固定频率信号比较，并将结果在固定频率的载波上调制，数字音频信号被转换成了PWM信号。形成的信号是可变脉宽的固定载波频率（通常在几百kHz），然后由高压功率MOSFET对这些PWM信号进行放大，放大后的PWM信号再通过低通滤波器去掉载频，恢复出原始基带音频信号。 扩展频谱调制技术用于在更大的带宽内扩展开关PWM信号的频谱能量，而不改变原始音频的内容。一个改进传统调制器高辐射EMI的有效方法是改变PWM开关信号的两个边沿，如图1所示。信号以载波频率为中心，但任何一个边沿都不是按周期重复的。这不仅维持了固定载波频率，而且由于边沿不是以固定比率跳变的，载波频率上的辐射能量就得到了极大的降低。通过对TPA3101D2进行测试结果表明，各种器件的引脚布局经优化后同样可显著降低 EMI，并使面板布局更简便。
参考文献
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[6] 陈国星. PWM 变频调速及软开关电力变换技术[M] .北京: 机械工业出版社,2002.
作者简介
周颀（1980-）助讲 男
E-mail：[email protected]
鲍雪晶 （1983-） 助讲 女
E-mail：[email protected]
图4 LPF模型和通频带
