基于NBDD脉宽调制的音频功率放大器设计

数字音频功率放大技术就是采用了全新的放大体制，功放管工作于D 类开关状态，与传统模拟功放相比，具有体积小、功率大，与数字音源无缝结合、能有效降低信号间的传递干扰、实现高保真等优势，具有广阔的发展前景。

本文提出了高效数字功率放大器的优化设计方案,将双边带三电平自然采样法( NBDD)脉宽调制技术引入数字功放的脉宽调制设计中，降低了低通滤波器设计阶数、改善了信噪比; 通过将Dead Time( 死区时间)技术引入开关放大器的设计中，减小了开关放大器的串通损耗和漏源电容损耗。

1 优化方案实现原理

此方案采用的是两个独立的通道，可单独、同时完成信号的数字处理和功率放大，并可桥接成一个通道进行信号的数字处理和功率放大。每个通道工作在半桥工作模式下，又可桥接成全桥工作模式进行工作。其实现原理如图1 所示。

图1 高效数字功率放大器原理图

输入的模拟音频信号首先经隔离放大器进行放大,同时进行低通滤波。低通滤波器采用的是二阶But terw orth 低通滤波器，截止频率为37 kHz，3 dB 带宽为22 kHz。滤波过后的信号与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器进行误差放大，输出放大的误差音频信号。将放大的误差信号和载波信号送到脉宽调制器，进行NBDD 调制产生PWM 信号。载波信号是由三角波发生器产生的高线性度的模拟三角波信号，频率为230~ 280 kHz 可调。PWM 信号插入Dead Time 后送到浮动电源和自举相结合的驱动器进行预放大，放大了的PWM 信号驱动由场效应管组成的半桥开关放大器进行功率放大，输出功率PWM 信号。经开关放大器放大的PWM 信号被采样作为反馈信号送到误差放大器。

功率PWM 信号送到低通滤波器还原出模拟音频信号。

当需要桥接单通道输出时，只需在两半桥输入端送入等幅反相的音频信号，并将负载接于两半桥输出端即可。

为了增加模块的可靠性，设计时同时考虑了各种误操作对模块造成的损坏，并提供了故障指示功能，帮助整机及时准确查找问题，便于模块进行维修。

2 NBDD 调制技术的实现

NBDD 调制技术的具体实现如图2 所示。

图2 NBDD 调制技术实现框图

输入的模拟音频信号首先经隔离放大器进行放大,再与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器，输出放大的误差音频信号。将放大的误差信号和载波信号送到脉宽调制器，进行NBDD 调制。载波信号是由三角波发生器产生的高线性度的模拟三角波信号，频率为230~ 280 kHz。

此处的重点在于实现高线性度的三角波发生器和高速比较器。三角波的非线性会直接影响PWM 调制器的线性度，整机的失真度; 为了能良好的还原音频,PWM 开关频率不能低于200 kHz，因此需要采用高速比较器。调制方式不仅影响到音频带内的性能指标，而且对放大器系统的高频辐射性能( EMC) 有着决定性的影响。因此从音频输入至脉宽编码完成链路上，所采用的音频放大器、误差放大器应具备高的输入阻抗、低的工作电流、宽的增益带宽、快的上升速度、良好的共模抑制比、低的漂移电压等技术指标; 比较器应具备响应速度快、功耗低、输入偏移电压小等特点。

3 引入Dead Time 的开关放大器优化设计

开关放大器的主要特点就是高效，因此其优化设计主要应体现在进一步减小各类损耗，真正体现其高效率的特点。

通过串通损耗产生的原理，可以在栅极驱动电压上想办法，在上管完全截止后再让下管开始导通，在下管完全截止后再让上管开始导通，这样就可以减小串通损耗，同时又可以减小结电容Cds 损耗。这种为了解决串通损耗而在两驱动信号之间按 延迟导通，正常截止 的原则，加入的时间称为Dead T ime( 死区时间) ，原理详见图3。图中分析的是工作在一个开关臂上的两个N 沟场效应管。

图3 引入Deed T ime 前后信号对比

4 各项指标测试

指标测试主要采用的是国际上通用的音频专用测试仪Audio Precision System One。Audio Precisio nSystem One 是由全球最大的音频测试仪器制造商美国Audio Precisio n 公司制造。

电源经电流表送到被测样机的电源插座上; 电源输出的正、负端间并联电压表，电压表和电流表分别用于测试电源输出的电压和电流，从而可以计算出电源输出功率。被测样机的音频输入端接音频测试仪的音频输出端，功率音频输出端分别连接音频测试仪和标准功率电阻，被测样机输出的功率信号送到标准负载上，同时送到音频测试仪上进行分析测试。由计算机控制选择音频测试仪A udio Precision Sy stem One 的输出信号频率、幅度等特性，并选择需要测试的指标，同时将测试结果显示到计算机上。