适用于消费电子的三电平H桥输出D类放大器

适用于消费电子的三电平H桥输出D类放大器

       音频功率放大器无所不在，有音乐响起的地方就会有音频放大器的身影，一代代的电子工程师在这个领域辛勤耕耘撒播智慧。音频放大器是要以一定的音量和功率在扬声器或耳机上真实、高效的重现声音信号。真实和高效一直是功率放大器领域技术进步的源动力。音频频率范围约为20Hz～20kHz，要求放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应；根据输出功率不同，放大器可以被细分为不同的输出功率规格，比如从几百mW的耳机放大器到2W左右应用于便携设备的小功率放大器，再到10W、20W的家庭音响用中功率、大功率放大器。 

　　AB类放大器是当今最常用的音频功率放大器。其不同于最早的A类或B类放大器的区别在于，AB类放大器采用互补输出级，通过在输出端加一定的偏置电流以防止交越失真，从而能够在提升A类放大器效率的基础上，提供良好的音质。但它仍是一种线性放大器，输出级晶体管工作在线性放大状态，为负载提供瞬时连续输出电流。输出晶体管工作在线性状态下，源极、漏极之间的压降很大。输出晶体管的瞬时功耗可表示为VDS× IDS，会有相当多的能量将消耗在输出晶体管上，转化为热量。即使最有效的AB类放大器，其效率通常也只在60~70%左右。 

　　D类放大器采用一种全新的工作方式，其输出级晶体管工作于开关状态，输出端在正电源和负电源之间切换产生一串电压脉冲。当输出晶体管不导通时，输出级不消耗任何电流。输出级晶体管导通电阻通常在0.2Ω，因此导通时VDS很低，晶体管上的功耗（VDS×IDS）也很小。低功耗的开关工作方式使得D类放大器在许多应用中优势显著，如可以节省印制电路板上用于散热的金属面积，可以省去专用的散热片，并能够延长便携式设备的电池使用时间。 

　　D类放大器工作时，首先必须将输入音频信号调制成一串电压脉冲。现今有很多方法将输入音频信号调制成电压脉冲，最常用的技术是脉宽调制技术(PWM)。从原理上讲，PWM调制是通过将输入音频信号与固定载波频率的三角波进行比较，产生一串和载波相同频率的电压脉冲。PWM脉冲的占空比正比于该载波周期内音频信号的幅度，占空比的变化即包含了输入音频信号的变化。由于载波频率通常在音频信号的10倍以上，从频谱上分析，PWM调制在音频范围内是无失真的。 

　　通常D类放大器输出端通过一个LC滤波器连接至扬声器上。LC滤波器用于滤除电压脉冲信号中的高频部分，重建音频信号。我们知道，扬声器本身具有一定的频响范围，人耳基本上也不敏感音频频率范围以外的信号，从这个角度来讲，LC滤波器完全可以从D类放大器中删去。让我们看一下删去LC滤波器后会发生什么情况。在没有任何音频输入信号时，比较器会产生一串50%占空比的脉冲，该脉冲直接加在扬声器两端，在扬声器内部被滤波后重建至零输入的直流状态。这个过程会在扬声器的阻性负载上产生很大的功耗，降低了放大器的效率。 

　　三电平H桥输出结构完全可以省去LC滤波器。在三电平H桥输出结构中，输入音频信号及其反相信号同时和三角波比较，产生两串不同的电压脉冲加在H桥的两个半桥上。两串电压脉冲的差分脉冲是实际加在扬声器两端的电压脉冲。我们同样看一下没有任何音频输入信号时的情况。没有输入信号时，产生的两串电压脉冲同相且均为50%占空比，不会有任何差分脉冲产生，也就不会有任何功率损耗。当输入信号正向变大时，产生一串正向差分脉冲，扬声器上会有正向电流流过；当输入信号反向变大时，则产生一串反向差分脉冲，扬声器上会有反向电流流过。扬声器上的电流是在输入信号变化时根据需要产生的，并不会有多余的功耗被损失掉。 

　　实际的电路中，输出级和驱动电路总会包含种种的不理想因素，导致放大器输出产生非线性失真。首先，输出级晶体管具有非常低的导通电阻，如果上下两个输出级晶体管同时导通，会产生一个从VDD到VSS的低阻路径通过晶体管，从而产生很大的冲击电流。在电压脉冲由高变低或由低变高时，极容易发生输出级晶体管同时导通的情况。因此，避免输出级晶体管同时导通很重要。为防止该情况发生，必须在一个晶体管导通之前先强制将两个晶体管都关断。两个晶体管都关断的时间间隔称为死区时间。死区时间会改变原始PWM脉冲的占空比，并导致放大器输出产生失真。设计中通常采用最短的死区时间，既防止输出晶体管同时导通，又能将失真尽可能的减小。另外，输出脉冲的上升时间和下降时间不匹配，以及输出级晶体管驱动电路参数不匹配，同样会改变原始PWM脉冲的占空比，进而同样在放大器输出上产生失真。 

　　让我们再看一下播放音乐时电源上会发生什么情况。电源通过0.2Ω电阻的输出级晶体管直接连接至扬声器。实际的电源总是存在一定的内阻，在播放音乐时，电源上会产生两倍于信号频率的纹波，纹波幅度会随电源内阻大小不同而不同。该纹波通过0.2Ω电阻的输出级晶体管直接耦合到扬声器，在输出信号中产生偶次音频噪声。从电路角度来看，这种音频噪声来自于较差的电源抑制比性能，即通过电源耦合，电源纹波会在放大器输出上产生高阶偶次失真。 

　　为了降低失真，可以采用类似AB类放大器的方式，通过闭环负反馈来提高电路性能。从原理上讲，闭环负反馈是通过在比较器前增加噪声整形滤波器，将放大器输入输出间的误差噪声整形，衰减音频范围内的失真，提高放大器的线性度。这种误差既来自于输出晶体管及驱动电路，也来自于电源纹波的直接耦合，因此既提高了放大器的线性度，也提高了放大器的电源抑制比。类比于线性放大器，噪声整形滤波器实际上为环路在音频范围内提供了很大的开环增益。优化设计的闭环D类放大器，可以达到PSRR>60dB和THD<0.1%的良好性能。 

　　PT5306/26是华润矽威科技近期推出的两款高性能D类放大器。PT5306为单通道2.5W D类放大器，PT5326是双通道2.1W D类放大器。这两款产品均采用闭环负反馈三电平H桥输出PWM调制结构，输出端可不使用LC滤波器，直接连接至扬声器。通过精心设计内部噪声整形滤波器，达到了良好的性能。从典型测试数据来看，性能参数决不亚于国外同类型产品。如3.6V电源电压，8欧姆负载，0.5W输出功率下，1kHz频率THD+N在0.1%，500Hz频率THN+N在0.06%。内部集成4个0.25Ω导通电阻的输出晶体管构成H桥输出级，在5V电源电压，8欧姆负载，1W输出功率下，效率可达88%以上。这两款产品可广泛应用于各类便携式多媒体设备上，如手机、MP3、MP4、数码相框和小功率USB便携音箱上。 

　　PT5306/26 包含完整的 “噼啪声”抑制方案，以做到安静的关断或唤醒放大器。在保护电路方面，PT5306/26也精心集成了过热和过流保护。尽管D类放大器输出级功耗远低于线性放大器，但如果放大器长时间提供非常高的功率，仍会导致器件过热。为了防止过热危险，当温度超过热关断安全阈值时，输出级关断并保持到器件冷却下来。另外，如果两输出端间短路，会产生巨大的电流，如果不采取保护措施，大电流会损坏输出级晶体管。因此，需要在输出晶体管上添加最大电流限制，如果输出电流超过安全阈值，输出级自动关断。 

　　放大器应用时，经常会遇到输入幅度过大的情况。这种情况会导致放大器输出达到限幅状态。处于限幅状态的闭环调制器，即使输入信号低至过载输入幅度以下，调制器输出仍滞后于输入信号，长时间处于输出过载状态。这种滞后，在输入大幅度信号时，放大器输出端会引入额外的非线性。PT5306/26通过精心设计的调制器防过载电路，在调制器过载条件消失后，能快速的跟上输入信号的变化。 

　　为了避免由于放大器自身噪声产生的嘶嘶声，便携式应用的小功率放大器，通常要求90dB的信噪比。PT5306/26通过精心的优化电路中每一处噪声源，达到了满意的信噪比。 

　　PWM调制结构简单容易实现，但是会产生EMI问题。从原理上讲，PWM输出电压脉冲在载波频率的倍频上包含很大的能量，这些频率分量会产生大量EMI。如载波频率500kHz，从PWM输出脉冲的频谱上看，30MHz以内载波谐波频段上能量很大。使用三电平调制可以减少这些频率分量的幅度。如要进一步的减小这些频率分量的幅度，可以通过抖频技术实现。PT5306/26包含抖频调制技术，通过在一定频率范围内不断变化载波频率，将30MHz内谐波频率的能量均分到除音频范围外的整个频带中。通常，EMI需要考虑对空间的辐射和通过扬声器及电源线的传导。D类放大器调制方案决定了传导和辐射EMI的基线谱。如果需要进一步降低放大器的EMI，可以使用一些板级的设计方法。 

　　D类放大器应用时，应当注意电源端旁路储能电容CS的选取。放大器工作时，对电源干扰严重。如果VDD端的旁路储能电容选用不合理，放大器会通过干扰电源，进而导致系统其他部分工作不正常。最佳的方案是CS采用表面贴装的钽电解电容。如果成本和PCB布板尺寸限制不允许采用钽电解电容，可以采用0805或0603封装的贴片陶瓷电容，且电容值在4.7uF以上，可以有效的降低放大器工作时对电源的干扰。