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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栅级驱动、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：
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。
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