從家庭影院到有源音箱的高性能音頻設(shè)備設(shè)計師發(fā)現(xiàn)D類放大器由于節(jié)省空間而極具吸引力。遺憾的是,這些設(shè)計師對于D類放大器中所用的PWM開關(guān)放大器概念不夠熟悉,因為他們的經(jīng)驗深深地根植于AB類放大器這樣的線性拓撲結(jié)構(gòu)。

他們面臨的挑戰(zhàn)與功率晶體管的開關(guān)工作模式有關(guān),這種模式要求徹底導(dǎo)通或徹底關(guān)斷。一個精心調(diào)整和良好保護的PWM開關(guān)電路能夠可靠地執(zhí)行上述操作。但是一個具有小小錯誤或非理想?yún)?shù)的設(shè)計很容易導(dǎo)致原型的徹底失敗。當(dāng)放大器自毀后,很難查清具體的原因。因此更正錯誤會為項目開發(fā)增加大量的時間和成本。

為了加快D類放大器的設(shè)計,國際整流器公司(IR)將四個主要的D類放大器構(gòu)建模塊集成為一個單芯片解決方案(見圖1)。通過將誤差放大器、PWM比較器、柵極驅(qū)動級電路和過載保護功能結(jié)合到一起,IRS2092可以通過快速優(yōu)化來提升終端產(chǎn)品的性能和靈活性。

具有噪聲隔離功能的誤差放大器

音頻放大器的主要指標(biāo)是噪聲和總諧波失真(THD)。在D類放大器中,影響這些指標(biāo)的因素包括有限的開關(guān)時間、過沖/欠沖以及電源波動。改善這些因素需要提高誤差放大器的性能。誤差放大器用于比較輸出音頻信號與輸入音頻信號,并根據(jù)比較結(jié)果校正輸出級電路中的這些缺陷。

D類放大器的噪聲環(huán)境所要求的特性與A類或A/B類設(shè)計中所要求的不一樣,因此要找到一個合適的運算放大器是一件復(fù)雜且耗時的過程。IRS2092中集成了一個優(yōu)化的運算放大器,具有較高的噪聲抑制能力,帶寬為5MHz,在圖2所示的設(shè)計實例中實現(xiàn)了%的THD。

噪聲隔離

D類放大器拓撲結(jié)構(gòu)要求前后端靠得很近。在分立實現(xiàn)方案中,設(shè)計師必須確定如何將對噪聲敏感的模擬輸入部分與大信號輸出級中的有害開關(guān)噪聲隔離開來。

圖1:IRS2092單芯片解決方案。

圖2:THD+N比與輸出功率的關(guān)系。

而在單芯片方案中,最艱巨的挑戰(zhàn)包括如何實現(xiàn)上述兩種電路之間足夠的電氣隔離。IRS2092采用了專有的半導(dǎo)體結(jié)隔離方法,確保了噪聲隔離指標(biāo)。

PWM比較器和電平轉(zhuǎn)換

一旦誤差放大器對輸入音頻信號處理后輸出形狀與輸入信號成比例的信號,比較器就會將該模擬信號轉(zhuǎn)換成一個脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。

IRS2092的PWM比較器將模擬信號轉(zhuǎn)變成PWM信號時,傳播延遲很小,因此在優(yōu)化反饋環(huán)路設(shè)計時具有較大的靈活度。

下一個挑戰(zhàn)是將PWM信號從安靜的誤差放大器電路輸送到噪聲較大的開關(guān)級電路。此時會有一個高電壓電平轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換到一個不同的浮動電位上,因此不管兩邊的電壓差如何都能準(zhǔn)確地傳送PWM信號,就像一個理想的差分放大器那樣。

柵極驅(qū)動和MOSFET開關(guān)級電路

柵極驅(qū)動級電路接收來自比較器、參考電平為地電平的PWM信號,并對該信號進行低電平轉(zhuǎn)換,形成分別以高端和低端MOSFET的源極為參考電平的柵極驅(qū)動信號。在柵極驅(qū)動級,在每個ON狀態(tài)之間插入一個死區(qū)時間,以防止在高端和低端MOSFET中同時出現(xiàn)ON狀態(tài)。

精確的門控制是獲得優(yōu)質(zhì)音頻性能的關(guān)鍵。柵極驅(qū)動器的脈沖寬度失真必須很小,應(yīng)該在高端和低端柵極驅(qū)動級之間達到完全匹配。這兩項屬性都很關(guān)鍵,能將死區(qū)時間減到最小,從而改進放大器的線性度。

死區(qū)時間插入

死區(qū)時間插入是D類放大器的開關(guān)級電路設(shè)計中最為關(guān)鍵的部分。通過調(diào)整MOSFET有限的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間,死區(qū)時間可以防止沖擊直通,從而確保放大器的安全工作。但是,這也會產(chǎn)生非線性,從而導(dǎo)致意外失真。設(shè)計師常常不得不在THD性能和安全余量之間采取折中。

IRS2092內(nèi)置了死區(qū)時間控制,設(shè)計師可以根據(jù)所選的MOSFET來選擇死區(qū)時間寬度。相對于外部死區(qū)時間控制設(shè)計,集成式死區(qū)時間插入的寬度是有保證的,設(shè)計師無需估計最壞情況。

過載保護

由于MOSFET的功率耗散正比于負載電流的平方,保護電路通常監(jiān)控負載電流來防止MOSFET在過流情況下失效。通常采用一個外部分流電阻來檢測負載電流,但電阻選擇和噪聲濾波等因素非常關(guān)鍵,可能會增加整個設(shè)計的開發(fā)時間、成本和物理尺寸。

保護電路還要求支持對功率級中關(guān)鍵電流環(huán)路路徑中的雜散電感所引起的額外開關(guān)噪聲進行補償校正。

在集成式構(gòu)建模塊芯片中,內(nèi)置過載保護取決于MOSFET的通態(tài)電阻。集成式電路監(jiān)控輸出電流,當(dāng)超過預(yù)設(shè)門限時將切斷PWM。另外,MOSFET通態(tài)電阻較大的正溫度系數(shù)隨著結(jié)溫的升高會降低過流門限,從而增強了放大器的安全性。

結(jié)論:即插即用型可升級的D類放大器

通過上述四個關(guān)鍵功能的集成,IRS2092提供了一個即插即用型D類放大器解決方案,它已經(jīng)實現(xiàn)了非常重要的受保護的PWM開關(guān)級電路。它的高集成度解決了許多設(shè)計挑戰(zhàn),而且還具有很大的靈活性,允許工程師定制某些功能來滿足特定的設(shè)計需求。

調(diào)整放大器使其提供不同的輸出功率電平或者實現(xiàn)不同數(shù)量的通道同樣非常容易,只需選擇合適的外部MOSFET對,并相應(yīng)調(diào)整死區(qū)時間以及過載保護門限。外部MOSFET還能讓工程師優(yōu)化EMI和效率來滿足應(yīng)用要求。

最后,完備的可升級能力還允許在多個產(chǎn)品中共享一個公共基礎(chǔ)設(shè)計,并且IRS2092將隨著終端產(chǎn)品的發(fā)展而不斷縮減其成本和上市時間。

作者:Jun Honda

  D類音頻放大器部高級工程師

國際整流器公司