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新型綠色能效D類(lèi)音頻放大器設(shè)計(jì)應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2011-09-20 來(lái)源:現(xiàn)代電子技術(shù)

中心議題:

  • D類(lèi)功率放大器原理特點(diǎn)
  • D類(lèi)功放設(shè)計(jì)需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)
  • 綠色能效D類(lèi)功放TFA9810T設(shè)計(jì)應(yīng)用

解決方案:

  • D類(lèi)功放的模擬輸入級(jí)
  • D類(lèi)功放的輸出級(jí)LPF低通濾波設(shè)計(jì)
  • D類(lèi)功放的溫升測(cè)試
  • D類(lèi)功放的功率效率測(cè)試


多媒體時(shí)代,傳統(tǒng)A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)線性模擬音頻放大器因效率低,能耗大,已不能滿(mǎn)足電子視聽(tīng)類(lèi)LCD/PDP/OLED/LCOS/PDA等綠色節(jié)能、高效、體積小等新發(fā)展趨勢(shì),而非線性音頻放大器件Class-D類(lèi)功放因具備節(jié)能、高效率、高輸出功率、低溫升效應(yīng)、占用空間小等優(yōu)點(diǎn),將被納入越來(lái)越多新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。D類(lèi)放大器架構(gòu)上分半橋非對(duì)稱(chēng)型和全橋?qū)ΨQ(chēng)型,而全橋類(lèi)相對(duì)半橋型具有高達(dá)4倍的輸出功率,更為高效;從信號(hào)適應(yīng)上分模擬型和I2S全數(shù)字型,因全數(shù)字型尚處發(fā)展階段,成本高,而模擬型因成本優(yōu)勢(shì)將在未來(lái)幾年處于應(yīng)用主流。本文重點(diǎn)剖析了全橋模擬型D類(lèi)功放設(shè)計(jì)要素,實(shí)現(xiàn)了一種基于NXP公司新型綠色能效模擬D類(lèi)功放TFA9810T電路設(shè)計(jì),并重點(diǎn)對(duì)綠色節(jié)能高效、高輸出功率、低溫升效應(yīng)、PCB布局、EMI抑制幾個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)分析。

1 D類(lèi)功率放大器原理特點(diǎn)

1.1 D類(lèi)放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
D類(lèi)放大器由積分移相、PWM調(diào)制模塊、G柵級(jí)驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)MOSFET電路、Logic輔助、輸出濾波、負(fù)反饋、保護(hù)電路等部分組成。流程上首先將模擬輸入信號(hào)調(diào)制成PWM方波信號(hào),經(jīng)過(guò)調(diào)制的PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率輸出級(jí),然后通過(guò)低通濾波濾除高頻載波信號(hào),原始信號(hào)被恢復(fù),驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲,如圖1所示。

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1.2 調(diào)制級(jí)(PWM-Modulation)
調(diào)制級(jí)就是A/D轉(zhuǎn)換,對(duì)輸入模擬音頻信號(hào)采樣,形成高低電平形式數(shù)字PWM信號(hào)。圖2中,比較器同相輸入端接音頻信號(hào)源,反向端接功放內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生的三角波信號(hào)。在音頻輸入端信號(hào)電平高于三角波信號(hào)時(shí),比較器輸出高電平VH,反之,輸出低電平VL,并將輸入正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換為寬度隨正弦波幅度變化的PWM波。這是D類(lèi)功放核心之一,必須要求三角波線性度好,振蕩頻率穩(wěn)定,比較器精度高,速度快,產(chǎn)生的PWM方波上升、下降沿陡峭。

1.3 全橋輸出級(jí)
輸出級(jí)是開(kāi)關(guān)型放大器,輸出擺幅為VCC,電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。將MOSFET等效為理想開(kāi)關(guān),關(guān)斷時(shí),導(dǎo)通電流為零,無(wú)功率消耗;導(dǎo)通時(shí),兩端電壓依然趨近為零,雖有電流存在,但功耗仍趨近零;整個(gè)工作周期,MOSFET基本無(wú)功率消耗,所以理論上D類(lèi)功放的轉(zhuǎn)換效率可接近100%,但考慮輔助電路功耗及MOSFET傳導(dǎo)損耗,整體轉(zhuǎn)換效率一般可達(dá)90%左右。因?yàn)檗D(zhuǎn)換效率很高,所以芯片本身消耗的熱能小,溫升也才很小,完全可以不考慮散熱不良,因此被稱(chēng)為綠色能效D類(lèi)功放。

對(duì)全橋,進(jìn)一步減小導(dǎo)通損耗,要使MOSFET漏源的導(dǎo)通電阻RON盡量小。選取低開(kāi)關(guān)頻率和柵源電容小的MOSFET,加強(qiáng)前置驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力。

1.4 LPF低通濾波級(jí)
LPF濾波器可消除PWM信號(hào)中電磁干擾和開(kāi)關(guān)信號(hào),提高效率,降低諧波失真,直接影響放大器帶寬和THD,必須設(shè)置合適截止頻率和濾波器滾降系數(shù),以保證音頻質(zhì)量。對(duì)于視聽(tīng)產(chǎn)品,20 Hz~20 kHz為可聽(tīng)聲;低于20 Hz為次聲;高于20 kHz為超聲。應(yīng)用中一般設(shè)置截止頻率為30 kHz,這個(gè)頻率越低,信號(hào)帶寬越窄,但過(guò)低會(huì)損傷信號(hào)質(zhì)量,過(guò)高會(huì)有噪聲混入。常用LPF濾波器一般有巴特沃思濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、考爾濾波器三種。巴特沃思濾波器在通帶BW內(nèi)最大平坦幅度特性好,易實(shí)現(xiàn),因此視聽(tīng)產(chǎn)品多采用等效內(nèi)阻小,輸出功率大的LC二階巴特沃思濾波器如圖4所示。

1.5 負(fù)反饋
負(fù)反饋是LPF電路,將檢測(cè)到的輸出級(jí)音頻成分反饋到輸入級(jí),與輸入信號(hào)比較,對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償、校正、噪聲整形,以此改善功放線性度,降低電源中紋波(電源抑制比,PSRR)。負(fù)反饋可減小通帶內(nèi)因脈沖寬度調(diào)制、輸出級(jí)和電源電壓變化而產(chǎn)生的噪聲,使輸出PWM中低頻成分總能與輸入信號(hào)保持一致,以得到很好的THD,使聲音更加豐富精確。
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1.6 功耗效率分析
D類(lèi)效率在THD<7%情況下,可達(dá)85%以上效率,遠(yuǎn)高于普及使用的最大理論效率78.5%的線性功放。根本原因在于輸出級(jí)MOSFET完全工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。理論上,D類(lèi)功放效率為:

假設(shè)D類(lèi)功放MOSFET導(dǎo)通電阻為RON,所有其他無(wú)源電阻為RP,濾波器電阻為RF,負(fù)載電阻為RL,則不考慮開(kāi)關(guān)損耗的效率為:

式中:fOSC是振蕩器頻率;tON和tOFF分別是MOSFET開(kāi)、關(guān)頻率。此時(shí)效率為:

由上述公式得知,D類(lèi)功放中負(fù)載RL,相對(duì)其他電阻,比值越大效率越高;MOSFET作為續(xù)流開(kāi)關(guān),所消耗的功率幾乎等于MOSFET導(dǎo)通阻抗上I2RON損耗和靜態(tài)電流總和,相比較輸出到負(fù)載的功率幾乎可忽略。所以,其效率遠(yuǎn)高于線性功放,如圖5所示。非常適應(yīng)現(xiàn)今綠色節(jié)能的要求,適合被平板等數(shù)字視聽(tīng)產(chǎn)品規(guī)模使用。

2 D類(lèi)功放需要注意的關(guān)鍵點(diǎn)

在D類(lèi)設(shè)計(jì)應(yīng)用中需注意以下幾點(diǎn):

2.1 Deadtime(死區(qū)校正)
全橋MOSFET管輪流成對(duì)導(dǎo)通,理想狀態(tài)一對(duì)導(dǎo)通,另一對(duì)截止,但實(shí)際上功率管的開(kāi)啟關(guān)斷有一個(gè)過(guò)程。過(guò)渡過(guò)程中,必有一瞬間,如圖3所示,在IN1/IN3尚未徹底關(guān)斷時(shí)IN2/IN4就已開(kāi)始導(dǎo)通;因MOSFET全部跨接于電源兩端,故極端的時(shí)間內(nèi),可能會(huì)有很大的電壓電流同時(shí)加在4個(gè)MOSFET上,導(dǎo)致功耗很大,整體效率下降,而且器件溫升加劇,燒壞MOSFET,降低可靠性。為避免兩對(duì)MOSFET同處導(dǎo)通狀態(tài),引起有潛在威脅的很大短路電流,應(yīng)保證一對(duì)MOSFET導(dǎo)通和另一對(duì)MOSFET截止期間有一個(gè)很短的停滯死區(qū)時(shí)間(Dead-time),這個(gè)時(shí)間由Logic邏輯控制器控制,以有效保證一組MOSFET關(guān)斷后,另一組MOSFET再適時(shí)開(kāi)啟,減小MOSFET損耗,提高放大器效率。 

但Deadtime設(shè)置不當(dāng),將出現(xiàn)如下問(wèn)題:
(1)輸出信號(hào)中將產(chǎn)生毛刺,造成電磁干擾,也即死區(qū)時(shí)間內(nèi),IN1/IN3都關(guān)斷。完全失控的輸出電壓將受到圖6(a)中體二極管電流的影響(體二極管電流的形成,參見(jiàn)下文EMI節(jié)),輸出波形中將出現(xiàn)毛刺干擾。
(2)Deadtime過(guò)大,輸出波形中出現(xiàn)的毛刺包含的能量將持續(xù)消耗在體二極管中,以熱能形式消耗能量,嚴(yán)重影響芯片工作穩(wěn)定性和輸出效率。
(3)Deadtime過(guò)長(zhǎng),影響放大器線性度,造成輸出信號(hào)交越失真,時(shí)間越長(zhǎng),失真越嚴(yán)重。
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2.2 EMI(Electro-Magnetic Interference)
EMI主要由MOSFET體二極管反向恢復(fù)電荷形成,具體產(chǎn)生機(jī)理如圖6所示。

第一階段,MP1-MOSFET導(dǎo)通,有電流流過(guò)MOSFET和后級(jí)LPF電感;第二階段,全橋進(jìn)入Dead-time期間,MP1本身關(guān)斷,但其體二極管依然導(dǎo)通,保證后級(jí)電感繼續(xù)續(xù)流;第三階段,Deadtime期結(jié)束,MN1導(dǎo)通瞬間,若MP1體二極管存儲(chǔ)的剩余電荷尚未完全釋放,則瞬間釋放上一次導(dǎo)通期間未釋放的存儲(chǔ)電荷,導(dǎo)致反向恢復(fù)電流激增,此電流趨向于形成一個(gè)尖脈沖,最終體現(xiàn)在輸出波形上,如圖6(b)所示。因此,輸出頻譜會(huì)在開(kāi)關(guān)頻率以及開(kāi)關(guān)頻率倍頻處包含大量頻譜能量,對(duì)外形成EMI。

為抑制EMI,以降低輸出方波頻率,減緩方波頂部脈沖為目的,將一些內(nèi)部EMI消除電路新技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品中:
(1)Dither。擴(kuò)展頻譜技術(shù),即在規(guī)定范圍內(nèi),周期性調(diào)整三角波采樣時(shí)鐘頻率,基波和高次諧波避開(kāi)敏感頻段,使輸出頻譜能量平坦分散;
(2)增加主動(dòng)輻射限制電路,輸出瞬變時(shí),主動(dòng)控制輸出MOSFET柵極,以避免后級(jí)感性負(fù)載續(xù)流引起高頻輻射。

2.3 印制板PCB布局設(shè)計(jì)規(guī)則
(1)因輸出信號(hào)含大量高頻方波,需將加入的低失真、低插入損耗LC濾波電容和鐵氧體電感低通濾波器件緊密靠近功放,將承載高頻電流的環(huán)路面積減至最小,以降低瞬態(tài)EMI輻射。
(2)因輸出電流大,音頻輸出線徑要寬,線長(zhǎng)要減短,故需降低無(wú)源電阻RP和濾波器電阻RF,提高負(fù)載電阻RL比值,提高輸出效率。
(3)PCB底部是熱阻最低的散熱通道,功放底部裸露散熱銅皮面積要大,應(yīng)盡可能在敷銅塊與臨近具有等電勢(shì)的引腳以及其他元件間多覆銅,裸露焊盤(pán)相接的敷銅塊用多個(gè)過(guò)孔連接到PCB板背面其他敷銅塊上,該敷銅塊在滿(mǎn)足系統(tǒng)信號(hào)走線要求下,應(yīng)具有盡可能大的面積,以保證芯片內(nèi)核通過(guò)這些熱阻最低的敷銅區(qū)域有最佳散熱特性。
(4)大電流器件接地端附近,多加過(guò)孔,信號(hào)若跨接于PCB兩層間,多加過(guò)孔提高連接可靠性,降低導(dǎo)通阻抗。
(5)信號(hào)輸入端元件焊盤(pán)和信號(hào)線與輸出端保持適當(dāng)間距,關(guān)鍵反饋網(wǎng)絡(luò)器件置放在輸入/輸出PCB布局模塊中間,防止輸出端EMI幅射影響輸入端小信號(hào)。
(6)地線、電源線遠(yuǎn)離輸入/輸出級(jí),采用單點(diǎn)接地方法。
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3 基于上述要素的綠色能效D類(lèi)功放TFA9810T設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 TFA9810T內(nèi)部結(jié)構(gòu)
TFA9810T是NXP公司推出的雙通道額定輸出2×12 W的高效Class-D類(lèi)功放,主要由兩組全橋功率放大器(Full-Bridge)、驅(qū)動(dòng)前端、邏輯控制、OVP/OCP/OTP等保護(hù)電路、全差分輸入比較器、供電模塊等構(gòu)成,如圖7所示。

其具備如下特點(diǎn):可取消散熱器,有很高的可靠性,8~20 V單電源供電,外部增益可調(diào),待機(jī)節(jié)能狀態(tài)的供電電流為微安級(jí),耗能很小等。非常適合應(yīng)用于平板類(lèi)電視產(chǎn)品、多媒體系統(tǒng)、無(wú)線音頻領(lǐng)域。

3.2 模擬輸入級(jí)設(shè)計(jì)
TFA9810T輸入端采用可抑制共模干擾的全差分輸入電路。以圖8 AMP-Rin輸入端為例,RA128/RA133/CA139構(gòu)成負(fù)反饋低通濾波器,用于衰減反饋信號(hào)中高頻載波成分。增加低頻成分反饋量,特別是直流成分。有效改善了零輸入時(shí)因輸入信號(hào)直流電平與比較器門(mén)限電壓差異形成的占空比誤差,調(diào)整RA128也可實(shí)現(xiàn)TFA9810T增益控制,使Au(dB)=20log(VOUT/VIN)≌20log(RA128/RA132)。器件CA153/RA132/RA133及TFA9810T內(nèi)阻構(gòu)成高通濾波器,用于對(duì)輸入信號(hào)的緩沖。若CA153容值過(guò)小,會(huì)影響低頻響應(yīng),理論確定公式為:
 

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本設(shè)計(jì)取值1 μF,確定低端頻率為16 Hz,若該頻率定得太高,低端輸入電抗(如在20 Hz)會(huì)太大,可能導(dǎo)致輸出端較大噪聲和直流偏移噪聲(plop-noise)。反饋信號(hào)與經(jīng)過(guò)緩沖的輸入音頻比較后,通過(guò)RA133進(jìn)入TFA9810T進(jìn)行PWM調(diào)制。為避免圖8中Rin/Lin輸入信號(hào)頻率因半導(dǎo)體非線性產(chǎn)生和頻和差頻,導(dǎo)致輸出端出現(xiàn)嘯叫聲,則通過(guò)調(diào)整電容CA123/CA145,將兩路載波頻率調(diào)差50 kHz左右。本設(shè)計(jì)中將取CA123=22 pF,CA145=47 pF,實(shí)現(xiàn)了Rin/Lin載頻相差50 kHz。

3.3 輸出級(jí)LPF低通濾波設(shè)計(jì)
TFA9810T輸出端低通濾波器采用二階巴特沃思濾波器方式,實(shí)際的巴特沃思二階濾波器由圖9中RCA類(lèi)電子元器件CA135/RA145/CA136/LA5/CA137/CA138/RA148/CA159/CA140/CA141/RA152/LA6/CA142/CA144等構(gòu)成,對(duì)PWM方波中15 Hz~20 kHz音頻成分表現(xiàn)為直通效應(yīng),對(duì)超過(guò)音頻范圍的20 kHz以上高頻成分呈現(xiàn)-12 dB/倍頻程滾降率。

簡(jiǎn)化模型中,由Lse和Cse,R,C1構(gòu)成基本巴特沃思濾波器,R和C1又構(gòu)成有Zobel network的消峰電路,用于去除高頻時(shí)尖峰脈沖干擾。

3.4 溫升測(cè)試
本設(shè)計(jì)功放TFA9810T的直流電源供電15.2 V,工作環(huán)境溫度為20℃,音頻系統(tǒng)輸入為2Vp未調(diào)制的1 kHz單音頻信號(hào),匹配負(fù)載為8 Ω揚(yáng)聲器,調(diào)整音頻輸出功率21 W,持續(xù)工作30 min,使用溫度測(cè)試設(shè)備測(cè)得TFA9810T殼體中央最高溫度為45℃,溫升僅25℃,無(wú)需再增加散熱片。

3.5 音頻A/D/A測(cè)試分析
圖10測(cè)試了TFA9810T功放音頻輸入端為1 kHz的2V。單音頻信號(hào)波形,輸出端揚(yáng)聲器端到GND間為12.84V。,圖9中LPF。濾波前功放輸出的PWM波形。圖11~圖13分別拓展了圖10中A/B/C區(qū)。

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由圖10~圖13可知,輸入波形疊加有高頻雜波。說(shuō)明前端引入不良干擾,需進(jìn)一步分析改進(jìn);輸出波形平滑,無(wú)交越失真,Deadtime特性較好;輸入/輸出正弦波相位相反,直接由電阻RA128等形成閉環(huán)負(fù)反饋通路,降低了噪聲干擾,并進(jìn)行增益控制。A,B,C區(qū)的拓展圖輸出正弦波峰、波谷、S區(qū)域處PWM的頻率分別為238.8 kHz,224.9 kHz,626.4 kHz,占空比不同,符合三角波采樣特性。圖中波峰、波谷處PWM脈沖fall下降沿和rise上升沿更為陡峭,相比S形區(qū)域,包含大量高頻諧波,易引起EMI輻射,但通過(guò)巴特沃思二階濾波器濾波后,輸出正弦波良好,無(wú)明顯高頻雜波迭加,EMC測(cè)試也無(wú)明顯對(duì)外輻射頻率,滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)需要。

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3.6 功率、效率測(cè)試
圖14測(cè)試了在圖10狀態(tài)下功放TFA9810T的供電電壓、電流實(shí)際波形。

由圖10可知,功放單端輸出功率為:

由圖14參數(shù)可知,功放供電系統(tǒng)承載的總功率為:

由此可得TFA9810T的效率為:

4 結(jié) 語(yǔ)

介紹了模擬全橋D類(lèi)功放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),詳細(xì)探討了通過(guò)二階巴特沃思濾波器設(shè)計(jì)和功放PCB布局,抑制了因Deadtime等產(chǎn)生的EMI。最后基于NXP公司D類(lèi)功放TFA9810T,實(shí)現(xiàn)了一種新型綠色能效雙通道D類(lèi)音頻放大器設(shè)計(jì)。仿真和測(cè)試結(jié)果表明,在供電電壓約為15 V時(shí),放大器可向兩8 Ω揚(yáng)聲器提供10 W×2的輸出功率,轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%,總諧波失真小于7%,1 kHz正弦波音頻輸出無(wú)交越失真,無(wú)明顯EMI干擾,功放殼體相對(duì)溫升25℃。隨著當(dāng)今社會(huì)節(jié)約能源的要求,該類(lèi)綠色能效設(shè)計(jì)將在未來(lái)幾年達(dá)到更廣泛的應(yīng)用。

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