D类音频功放在使用中效率与干扰 - 全文

　　由之前 ”如何评估D类音频功放的动态效率” 的讨论，如果Poq代表输出功率Po与静态消耗功率Pq的比，Emos代表输出功率晶体管的效率且Eff代表总效率，则总效率：

　　Eff = （ Poq x Emos ） / （Poq + Emos ）

　　以上公式说明Poq対总效率的影响与输出功率晶体管的效率Emos対总效率的影响程度一样，所以静态消耗功率Pq或静态消耗电流Iq在评估总效率时需列入考虑。

　　

　　图一

　　图一显示两个立体声D类功放的Eff曲线，这两个功放的电源是12V且输出晶体管的效率Emos都是0.8，曲线A功放的静态电流是10mA而曲线B功放的静态电流是25mA。由于是立体声所以每个单一声道的静态电流只有一半，亦即曲线A静态电流是5mA而曲线B则是12.5mA。由图标可知在低输出功率或输出功率大约为最大输出功率的10%以下时曲线A的总效率明显优于曲线B。曲线A是TMPA430DS在12V及8ohm电阻负载的Eff曲线。

　　

　　图二

　　图二显示两个立体声D类功放的Eff曲线，这两个功放的电源是5V且输出晶体管的效率Emos都是0.9，曲线C功放的静态电流是5.6mA而曲线B功放的静态电流是10mA。所以曲线C每声道静态电流是2.8mA而曲线D则是5mA。由图标可知两曲线的优劣与图一相当，低的静态电流有高的总效率Eff。曲线C是TMPA3155DS在5V及8ohm电阻负载的Eff曲线。

　　

　　图三

　　图三也是显示两个立体声D类功放的Eff曲线，曲线F与图二的曲线D是同一个功放，曲线E与图二的曲线C除了晶体管的效率只有0.85以外其它条件都一样。图三显示曲线E虽然晶体管的效率只有0.85低于曲线F的0.9， 但由于曲线E的静态电流是2.8mA比曲线F的5mA要低所以在输出功率小于0.18W以下曲线E的总效率反而高，这强调了低的静态电流对总效率Eff的影响。

 

　　在评估总效率时并不需要考虑输出晶体管在切换时的切换损失（switching loss）。在D类功放IC设计的时候为了避免输出功率晶体管在切换的时候产生短路电流（short current）或贯穿电流（through current），输出功率晶体管在切换的时候会保留一个暂息区（dead zone），所以任何一个输出端的PMOS在导通之前其相对应的NMOS需先完全关闭，反之亦然。所以基本上输出NMOS晶体管并不会造成切换损失。但是输出PMOS晶体管在导通期间会对输出端所呈现的电容充电，这电容包括IC内的打线垫（bonding pad）电容，输出晶体管的汲极（drain）电容及其它杂散电容。这充电的电容会在NMOS导通时放电而这消耗掉的功率已经算在静态电流或静态损失里头。如果BTL的两端是全対称的，接上负载时静态电流不会增加，如果静态电流增加就是负载有电容成分。

　　由于效率的关系，功放在推动喇叭的时侯会产生热而使温度上升，温度上升会造成输出晶体管导通效率Emos变差而使总效率下降，所以对大功率或效率较差的功放适当的散热是必要的。如果D类功放的电压増益由前置电路决定而非由输出端回授，在温度上升的时候由于输出晶体管导通效率Emos变差输出讯号会随着温度的上升而缩小，缩小的幅度由输出晶体管导通效率Emos与负载的大小决定。由于输出晶体管的导通电阻增加了所以输出电流减小，电源的电流也随着降低。如果D类功放的电压増益由输出端回授，在温度上升的时候由于输出晶体管导通效率Emos变差，为了维持电压增益功率放大器要维持输出讯号的大小所以产生更多的热，当然电源的电流也随着上升。

　　为了降低电磁干扰（EMI）输出端需要加磁珠（BEAD）滤波，磁珠后头的滤波电容通常使用1nF，输出的PWM讯号每个周期対此电容充放电一次，以5V电源及250KHz的工作频率而言每个电容所产生的静态电流为

　　I = CVF = 1nF x 5V x 250K = 1.25mA

　　BTL输出的立体声功放有4个输出端或4个输出滤波电容，所以加了EMI滤波之后静态电流就增加了5mA。由上述公式可知，选用较低工作频率的功放或较小滤波电容可以减少静态电流的增加。

　　AB类音频功放也是在高输出功率的时候有高效率，实际最高效率大约65%，所以D类音频功放的效率即使可高达90%但在大功率输出时相对于AB类功放其节省的功率只有总消耗功率的25%。即使如此这两个效率在散热处理确相差很大。如果两种功放都消耗20W的能量，D类功放输出18W的功率而产生2w的热但是AB类功放输出13W的功率而产生7w的热，如果AB类功放要输出18W的功率产生的热就高达9.6W。2W的散热使用一般平价的封装即可达到但9.6W的热就要耗掉散热成本及空间。在使用上音频功率放大器并非随时使用在最大功率，以最大输出功率为3Ｗ的D类音频功放而言如果输出功率0.5W或1W，依公式计算效率已经高于86%或88%。以最大输出功率为3Ｗ的AB类音频功放而言如果输出功率同样是 0.5W或1W 其效率只有25%及37%。所以D类功放与AB类功放的使用效率比大约3倍，输出功率越低效率相差越大，D类功放的效率远优于AB类功放的效率是在半功率输出以下才更明显。如果音频内容是音乐讯号则大部分时间都在低输出功率，效率上D类功放比AB类功放好很多。如果音频内容是间歇性的譬如新闻播报，则间断的时间相对的长。间断的时侯只消耗静态功率，以同样标示3W输出的功放，D类功放的静态消耗功率只有AB类的10% - 20%。实验数据显示D类功放使用电池播放音乐时，电池的使用时间比AB类要长5倍以上。

　　D类功放在使用上最大缺点是产生干扰讯号，由于D类功放的输出讯号是大电流快速切换的脉波，干扰讯号强且干扰的谐波频率宽而容易造成接收机收讯不良等缺点。干扰方式主要来自接线传导或幅射，避免接线传导可以在接线串接磁珠及滤波电容以过滤高频谐波，至于低频谐波干扰则可使用LC输出滤波器，但电感的寄生电容要小以避免高频干扰穿出电感。如果接收机与功放摆在同一个PC板则电源及铺地要隔离，最好在电源端就分开或个别供电。至于辐射干扰，接收机的天线端与功放的输出端或走线各放在PC板的两边以增加距离，天线摆设的方向要与D类功放的输出讯号跑线互相垂直使天线的接收效率降到最低。功放输出引脚在PC板上的引线或喇叭线越短越粗越好以降低天线效应亦即降低天线辐射效率而减少电磁幅射。如果机构设计或立体声的关系需要使用长的喇叭线最有效防止辐射的方法是使用含隔离线的喇叭接线，隔离线在PC板的这一端接地在喇叭的那一端悬空，实验证实这种屏蔽方式使用在TMPA3155/3156有相当程度的改善。另外较大体积的含金属组件适当的摆置也可以屏蔽一些幅射讯号。由于干扰讯号来自PWM的切换，较低的工作频率或PWM频率可以线性的降低干扰能量。震一科技的D类功放的工作频率除了特殊考虑外大多设定在250KHz，除了EMI的考虑外还可以降低之前提及的EMI滤波电容所造成静态电流的增加。