实现最佳音频性能的D类放大器设计挑战

实现最佳音频性能的D类放大器设计挑战

       D类放大器逐渐成为高端家用A/V设备以及移动设备的首选拓扑，能够帮助设计者实现高性能与小尺寸组合，而这正是全世界用户所期望和需要的。现在，高集成度D类放大器件，包括单个封装内的整个放大器模块 - 的出现让企业能够更快地将价格极具竞争力的新产品推向市场，并且其音频性能达到或者超过了传统的模拟放大器。 

       D类音频放大器可以在90%左右的效率水平下运行，让设计者能够利用小型散热器或者无需散热器即可提供极高的音频输出。这样就能够实现新的小型音频产品，而这是利用传统的模拟AB类放大器无法实现的。

       然而，从头设计D类放大器并非易事。巨大的挑战在于确保放大器能够安全运行。但是，如果可以实现这一点，音频性能或多或少是可以预知的，并且主要取决于所用元件的质量。

       本文将比较AB类和D类放大器的设计与性能，介绍D类设计相关的主要挑战，说明更高的集成度如何帮助工程师更快的完成设计和实现成本与性能目标。

模拟与数字放大器设计

       多年以来，AB类模拟拓扑已广泛用于整个音频行业。AB类操作结合了A类操作(其中，输出晶体管永远不会关闭，导致功耗居高不下)和B类操作(其中，每个器件都只会接通半个信号周期(180度)，从而大幅降低了功耗)。在AB类放大器内，各个输出器件都会接通200度左右，牺牲了一定的能效，但是产生了少量重叠，从而减轻了一个器件关闭，另一个器件接通时的交越失真。

       为了利用AB类放大器实现尽可能最高的音频保真度，设计者必须以最佳的方式偏置晶体管，以便操作保持在线性区域内和将交越失真最小化。器件选择和电路布局也会影响声音的质量和类型，从而让设计者能够针对某些应用和环境优化之。通常，AB类放大器的工作效率为30-35%。这比纯A类设计15-30%的效率高得多，但是需要添加大型散热器，从而增加了成品的成本和体积。

       过去，设备采购商易于接受高级高保真音响和音/视频设备体积大的问题。然而，当今对高性能移动设备和更流行的超薄家用多媒体系统的需求越来越需要能够提供同等或更高音质、占用的PCB面积更小、工作效率更高、能耗更低、需要更少散热器的数字放大器。

       在D类放大器中，输出晶体管是在开关模式下运行，而不是在线性区域内运行，这样就让设计者能够提供当今终端用户期望的外形更小巧、能效更高的产品。在输出端，利用低通滤波器去除开关载波信号及其谐波，从而产生高质量放大音频信号。

       D类放大器的通用功能模块如图1所示。将输入音频信号与高频锯齿波形对比，生成输入的脉宽调制方波表达式。锯齿波频率通常在400kHz上下。这正好在音频信号频率范围之外，因此有助于简化输出滤波器设计。

图1：D类放大器的主要功能模块。

       然后，音频信号的脉宽调制等效信号被用于驱动放大器输出级，它是全桥或者半桥MOSFET阵列。输出拓扑选择取决于系统要求，例如成本、功率输出和电源设计。例如，半桥输出级需要正、负供电。另一方面，全桥能够由单电源供电，并且还能为给定的电源电压产生较高的输出。

       在这两种情况下，输出MOSFET的特性均针对D类音频放大器操作进行了优化，从而能够实现效率最大化，并保证低总谐波失真+噪声(THD+ N)和EMI。这需要低导通电阻(用于在终端产品内实现高电源密度)以及优化的栅极电荷和体二极管反向恢复特性(用于实现快速且高效的交换)。

       放大的音频信号包含在MOSFET桥输出端处的方波内。低通滤波消除了音频外频率，恢复了纯音频信号以便驱动扬声器。

D类设计挑战

       由于功率晶体管不是处于硬开状态，就是处于全关状态，所以设计者无需做任何调整就可以优化性能。然而，PWM变换级必须得到很好的保护，并且需要精确的栅极控制和低脉宽失真，以及高、低端驱动信号要匹配，方可将死区时间最小化，进而实现最佳线性度。

       开发风险很高，设计D类放大器本来就是一个功率电子挑战，需要具备开关控制和保护电路设计方面的知识。如果设计阶段没有正确解决这些问题，那么原型就可能无法运行或者在测试时出现灾难性的故障。如果发生了这类故障，那么查明和修正这些缺陷就会非常困难，并且还会额外增加成本和导致项目延期完成。

       参照图1，就能够确定与放大器的主要功能模块相关的主要设计挑战了。