工程师参考手册(四):D类功放设计须知

2013-09-11 20:42:12来源: 互联网

四、新型绿色能效D类音频放大器设计应用

  引 言

  多媒体时代,传统A类、B类、AB类线性模拟音频放大器因效率低,能耗大,已不能满足电子视听类LCD/PDP/OLED/LCOS/PDA等绿色节能、高效、体积小等新发展趋势,而非线性音频放大器件Class-D类功放因具备节能、高效率、高输出功率、低温升效应、占用空间小等优点,将被纳入越来越多新产品设计中。D类放大器架构上分半桥非对称型和全桥对称型,而全桥类相对半桥型具有高达4倍的输出功率,更为高效;从信号适应上分模拟型和I2S全数字型,因全数字型尚处发展阶段,成本高,而模拟型因成本优势将在未来几年处于应用主流。本文重点剖析了全桥模拟型D类功放设计要素,实现了一种基于NXP公司新型绿色能效模拟D类功放TFA9810T电路设计,并重点对绿色节能高效、高输出功率、低温升效应、PCB布局、EMI抑制几个方面进行总结分析。

  1 D类功率放大器原理特点

  1.1 D类放大器系统结构

  D类放大器由积分移相、PWM调制模块、G级驱动、开关MOSFET电路、Logic辅助、输出滤波、负反馈、保护电路等部分组成。流程上首先将模拟输入信号调制成PWM方波信号,经过调制的PWM信号通过驱动电路驱动功率输出级,然后通过低通滤波滤除高频载波信号,原始信号被恢复,驱动扬声器发声,如图1所示。

  

  1.2 调制级(PWM-Modulation)

  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,比较器同相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]。

  

  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,两端电压依然趋近为零,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。

  

  对全桥,进一步减小导通损耗,要使MOSFET漏源的导通电阻RON尽量小。选取低开关频率和栅源电容小的MOSFET,加强前置驱动器的驱动能力。

  1.4 LPF低通滤波级

  LPF滤波器可消除PWM信号中电磁干扰和开关信号,提高效率,降低谐波失真,直接影响放大器带宽和THD,必须设置合适截止频率和滤波器滚降系数,以保证音频质量。对于视听产品,20 Hz~20 kHz为可听声;低于20 Hz为次声;高于20 kHz为超声。应用中一般设置截止频率为30 kHz,这个频率越低,信号带宽越窄,但过低会损伤信号质量,过高会有噪声混入。常用LPF滤波器一般有巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、考尔滤波器三种。巴特沃思滤波器在通带BW内最大平坦幅度特性好,易实现,因此视听产品多采用等效内阻小,输出功率大的LC二阶巴特沃思滤波器如图4所示。

  

  1.5 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。

  1.6 功耗效率分析

  D类效率在THD《7%情况下,可达85%以上效率,远高于普及使用的最大理论效率78.5%的线性功放。根本原因在于输出级MOSFET完全工作在开关状态。理论上,D类功放效率为:

  

  假设D类功放MOSFET导通电阻为RON,所有其他无源电阻为RP,滤波器电阻为RF,负载电阻为RL,则不考虑开关损耗的效率为:

  

  式中:fOSC是振荡器频率;tON和tOFF分别是MOSFET开、关频率。此时效率为:

  

  由上述公式得知,D类功放中负载RL,相对其他电阻,比值越大效率越高;MOSFET作为续流开关,所消耗的功率几乎等于MOSFET导通阻抗上I2RON损耗和静态电流总和,相比较输出到负载的功率几乎可忽略。所以,其效率远高于线性功放,如图5所示。非常适应现今绿色节能的要求,适合被平板等数字视听产品规模使用。

  

  2 D类功放需要注意的关键点

  在D类设计应用中需注意以下几点:

  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。过渡过程中,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。

  但Deadtime设置不当,将出现如下问题:

  (1)输出信号中将产生毛刺,造成电磁干扰,也即死区时间内,IN1/IN3都关断。完全失控的输出电压将受到图6(a)中体二极管电流的影响(体二极管电流的形成,参见下文EMI节),输出波形中将出现毛刺干扰。

  (2)Deadtime过大,输出波形中出现的毛刺包含的能量将持续消耗在体二极管中,以热能形式消耗能量,严重影响芯片工作稳定性和输出效率。

  (3)Deadtime过长,影响放大器线性度,造成输出信号交越失真,时间越长,失真越严重。

  2.2 EMI(Electro-Magnetic InteRFerence)

  EMI主要由MOSFET体二极管反向恢复电荷形成,具体产生机理如图6所示。

  

  第一阶段,MP1-MOSFET导通,有电流流过MOSFET和后级LPF电感;第二阶段,全桥进入Dead-time期间,MP1本身关断,但其体二极管依然导通,保证后级电感继续续流;第三阶段,Deadtime期结束,MN1导通瞬间,若MP1体二极管存储的剩余电荷尚未完全释放,则瞬间释放上一次导通期间未释放的存储电荷,导致反向恢复电流激增,此电流趋向于形成一个尖脉冲,最终体现在输出波形上,如图6(b)所示。因此,输出频谱会在开关频率以及开关频率倍频处包含大量频谱能量,对外形成EMI。

  为抑制EMI,以降低输出方波频率,减缓方波顶部脉冲为目的,将一些内部EMI消除电路新技术应用于新产品中:

  (1)Dither。扩展频谱技术,即在规定范围内,周期性调整三角波采样时钟频率,基波和高次谐波避开敏感频段,使输出频谱能量平坦分散;

  (2)增加主动辐射限制电路,输出瞬变时,主动控制输出MOSFET栅极,以避免后级感性负载续流引起高频辐射。

  2.3 印制板PCB布局设计规则

  (1)因输出信号含大量高频方波,需将加入的低失真、低插入损耗LC滤波电容和铁氧体电感低通滤波器件紧密靠近功放,将承载高频电流的环路面积减至最小,以降低瞬态EMI辐射。

  (2)因输出电流大,音频输出线径要宽,线长要减短,故需降低无源电阻RP和滤波器电阻RF,提高负载电阻RL比值,提高输出效率。

  (3)PCB底部是热阻最低的散热通道,功放底部裸露散热铜皮面积要大,应尽可能在敷铜块与临近具有等电势的引脚以及其他元件间多覆铜,裸露焊盘相接的敷铜块用多个过孔连接到PCB板背面其他敷铜块上,该敷铜块在满足系统信号走线要求下,应具有尽可能大的面积,以保证芯片内核通过这些热阻最低的敷铜区域有最佳散热特性。

  (4)大电流器件接地端附近,多加过孔,信号若跨接于PCB两层间,多加过孔提高连接可靠性,降低导通阻抗。

  (5)信号输入端元件焊盘和信号线与输出端保持适当间距,关键反馈网络器件置放在输入/输出PCB布局模块中间,防止输出端EMI幅射影响输入端小信号。

  (6)地线、电源线远离输入/输出级,采用单点接地方法。

  3 基于上述要素的绿色能效D类功放TFA9810T设计应用

  3.1 TFA9810T内部结构

  TFA9810T是NXP公司推出的双通道额定输出2×12 W的高效Class-D类功放,主要由两组全桥功率放大器(Full-Bridge)、驱动前端、逻辑控制、OVP/OCP/OTP等保护电路、全差分输入比较器、供电模块等构成,如图7所示。

  

  其具备如下特点:可取消散热器,有很高的可靠性,8~20 V单电源供电,外部增益可调,待机节能状态的供电电流为微安级,耗能很小等。非常适合应用于平板类电视产品、多媒体系统、无线音频领域。

关键字:工程师  参考手册  D类功放

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0911/article_19263.html
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