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增强高功率D类音频放大器设计中的功能和可靠性

作者:admin 发布时间:2019-08-20 10:30

  绿色动力标准、更低本钱和更高音频保真度的需求正在推动D类扩大器在高功率音频中的应用。传统的模仿完成(例如AB类拓扑结构)比较复杂且功率低,但由于其对音频的高保真功能,占有了高端音频商场。D类体系规划更简单、更高效,且供给比美模仿扩大器的高保真才能,正在迅速缩小在高端音频商场中的间隔。
  典型的D类音频体系先把模仿音频输入信号转化为数字PWM信号,在数字域进行功率扩大,然后再把数字信号转化成模仿音频信号输出。如图1所示,输入的音频信号被送到一个脉冲宽度调制器(PWM),它由运算扩大器和比较器组成,调制器经过生成与音频输入信号瞬时值成正比的调制占空比信号对音频数字化。
  PWM信号进行适当的电平改换,然后送到栅极驱动器,这个驱动器操控由MOSFET(M1和M2)组成的双态功率电路。扩大后的信号然后经过输出滤波器(消除PWM载波频率),终究只是扩大了的模仿音频信号驱动扬声器。经过把滤波器输入信号反应到过错扩大器输入端,进行外部环路滤波,下降了失真和噪声,进一步提高了音频输出保真度。
放大器
  D类扩大器规划
  功效
  传统的模仿功率扩大器依赖于线性扩大电路,很容易造成高功率丢失。而相比之下,D类扩大器的功率功率可以到达90%或更高(这取决于规划)。这种高功率的好处是D类扩大器技术所固有的,扩大机制运用二进制转化(一般是功率MOSFET)。这些开关或者彻底导通或者彻底封闭,只要很少的时刻花费在状况转化上。离散的开关动作和低MOSFET导通阻抗,减少了I2R损耗,提高了功率。但是,在实践中,开关转化时刻(死区时刻)必须足够长以防止两开关一起运转时功率急剧下降。
  高保真
  音频保真度可以被定义为声响再生后的完整性,关于音频体系,保真度一直是声响质量的代名词。一起其他目标也被用于衡量保真度,部分目标的丈量对规划人员来说特别具有挑战性。最具挑战性的两个目标是:总谐波失真(THD)和噪声(N),统称为THD+N。
  THD是对音频体系的准确丈量,非常类似于高保真自身。再生信号的差错来自于其他元件发生的输入频率谐波,明显的区别于纯输出信号。THD是所有剩余的谐波频率能量与根本输入频率能量的比值,典型的在给定体系的半功率下丈量取得。THD功能关于大多数非高保真音频应用来说一般小于0.1%,挑剔的听众一般需要THD等级低至0.05%乃至更低。
  输出噪声等级是对没有信号输入的扩大器输出的本底噪声电平的丈量。关于大多数扬声器来说,100-500μV的本底噪声在正常的收听间隔内是听不到的,而到达1mV的本底噪声就太吵了,所以,THD+N是衡量扩大器音频保真度的很好目标。
  D类驱动器IC:特性和好处
  可编程死区时刻
  D类扩大器死区时刻(即两个开关均处于封闭状况时的时刻段)直接影响到功率和THD。过于时刻短的死区时刻会引起直通电流,下降功率,过长的死区时刻又会增大THD,这会给音频保真度带来不利影响。
  必须准确设定死区时刻,找到使功率功率和THD都最优的“最佳方位”。当时典型高电压音频驱动器具有不准确的、重叠的死区时刻设置(即1/n推迟值)。因此,多数规划人员都选择选用分立元件来处理死区时刻,这不只花费高并且耗时刻。一个简洁且经济的解决方法是集成具有高精度死区发生器的栅极驱动器。
  电平改换
  由于输入电平转化的要求,完成双态D类扩大器可能有一定难度。在高功率D类扩大器中,最好为功率MOSFET阶段供给高压供电轨(±VSS)。实践D类扩大器规划中,±100Vdc电压可以在8?负载上发生高达600W的音频功率。
  大多数现有高电压IC(HVIC)D类驱动器缺乏将低压调制部分转为高压电源部分的才能。可以供给电平转化的驱动器有也有其他不足,这使得它很难成为D类操作的理想选择(例如,驱动器输出接地端子选用负电压轨,要求输入驱动信号电平转化到负电源)。经过分立器材添加该项功能,本钱高、规划难度大且占用大量空间,具有高电压双极供电接口的电平转化解决方案是D类规划的明显优势。
  可靠性和噪声按捺
  现有的典型栅极驱动器IC在20V/ns或更大的高电压瞬变时容易发生锁闭,一般情况下对高转化速率瞬变噪声(从功率级反应耦合到准确数字输入端)没有按捺作用。在试图取得最佳音频保真度且坚持本底噪声尽可能低时,缺乏噪声按捺是其主要劣势。
  高频操作
  D类栅极驱动器的最佳特性之一是可以在高开关频率下运转,且传播推迟最小。这些特性使得在反应途径上的总循环推迟非常低,取得尽可能好的噪声功能。更高频率下运转也提高了“循环增益”,改进了扩大器的失真功能。现有的大多数HVIC驱动器仅支持最高1MHz的调制频率。
  集成度
  在当今竞赛剧烈的全球商场上,集成了所有这些特性的解决方案,将为D类扩大器规划人员供给很大便利,他们可以经过缩短规划时刻、减少元件数量、下降插入本钱以及因较多器材数量而带来的较低可靠性,然后使其产品尽早上市。
  小结
  D类扩大器的特性远远超越了传统模仿扩大器,包含更低的THD、更小的电路板空间、更高的功率功率和更低的BOM本钱。高集成的栅极驱动器IC对体系构架和音频功能都有明显的积极作用。SiliconLabs公司的Si8241/8244音频驱动器是首个集成所有特性到单一IC封装的高功率D类扩大器解决方案。这些栅极驱动器的长处包含:为最低THD和最佳功效供给高精度死区时刻设置;无需为输入信号电平转化而添加复杂规划和器材数量;隔离的输出驱动器,简化双态开关器完成;对瞬变电源有较高按捺力。要想了解有关Si824xD类音频驱动程序的更多内容,以及如何使用这些栅极驱动器为高保真音频商场供给新的规划思路,请拜访: