D类功放需要注意的关键点 - 新型绿色能效D类音频放大器设计应用

　　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：

　　2．1 Deadtime(死区校正)

　　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。

　　3．2 模拟输入级设计

　　TFA9810T输入端采用可抑制共模干扰的全差分输入电路。以图8 AMP-Rin输入端为例，RA128／RA133／CA139构成负反馈低通滤波器，用于衰减反馈信号中高频载波成分。增加低频成分反馈量，特别是直流成分。有效改善了零输入时因输入信号直流电平与比较器门限电压差异形成的占空比误差，调整RA128也可实现TFA9810T增益控制，使Au(dB)=20log(VOUT／VIN)≌20log(RA128／RA132)。器件CA153／RA132／RA133及TFA9810T内阻构成高通滤波器，用于对输入信号的缓冲。若CA153容值过小，会影响低频响应，理论确定公式为：

 

 

　　本设计取值1 μF，确定低端频率为16 Hz，若该频率定得太高，低端输入电抗(如在20 Hz)会太大，可能导致输出端较大噪声和直流偏移噪声(plop-noise)。反馈信号与经过缓冲的输入音频比较后，通过RA133进入TFA9810T进行PWM调制。为避免图8中Rin／Lin输入信号频率因半导体非线性产生和频和差频，导致输出端出现啸叫声，则通过调整电容CA123／CA145，将两路载波频率调差50 kHz左右。本设计中将取CA123=22 pF，CA145=47 pF，实现了Rin／Lin载频相差50 kHz。