適用消費(fèi)電子的三電平H橋輸出D類放大器

1、適用消費(fèi)電子的三電平h橋輸出d類放大器音頻功率無所不在，有音樂響起的地方就會有音頻放大器的身影，一代代的工程師在這個領(lǐng)域辛勤耕耘撒播才智。音頻放大器是要以一定的音量和功率在揚(yáng)聲器或耳機(jī)上真切、高效的重臨聲音信號。真切和高效向來是領(lǐng)域技術(shù)長進(jìn)的源動力。音頻頻率范圍約為20hz20khz，要求放大器必需在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)；按照輸出功率不同，放大器可以被細(xì)分為不同的輸出功率規(guī)格，比如從幾百mw的耳機(jī)放大器到2w左右應(yīng)用于便攜設(shè)備的小功率放大器，再到10w、20w的家庭音響用中功率、大功率放大器。ab類放大器是當(dāng)今最常用的音頻功率放大器。其不同于最早的a類或b類放大器的區(qū)分在于，ab類放

2、大器采納互補(bǔ)輸出級，通過在輸出端加一定的偏置以防止交越失真，從而能夠在提升a類放大器效率的基礎(chǔ)上，提供良好的音質(zhì)。但它仍是一種線性放大器，輸出級晶體管工作在線性放大狀態(tài)，為負(fù)載提供瞬時延續(xù)輸出電流。輸出晶體管工作在線性狀態(tài)下，源極、漏極之間的壓降很大。輸出晶體管的瞬時功耗可表示為vds× ids，會有相當(dāng)多的能量將消耗在輸出晶體管上，轉(zhuǎn)化為熱量。即使最有效的ab類放大器，其效率通常也只在60"70%左右。d類放大器采納一種全新的工作方式，其輸出級晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，輸出端在正電源和負(fù)電源之間切換產(chǎn)生一串脈沖。當(dāng)輸出晶體管不導(dǎo)通時，輸出級不消耗任何電流。輸出級晶體管導(dǎo)通通常

3、在0.2，因此導(dǎo)通時vds很低，晶體管上的功耗（vds×ids）也很小。低功耗的開關(guān)工作方式使得d類放大器在許多應(yīng)用中優(yōu)勢顯著，如可以節(jié)約印制板上用于散熱的金屬面積，可以省去專用的散熱片，并能夠延伸便攜式設(shè)備的電池用法時光。d類放大器工作時，首先必需將輸入音頻信號調(diào)制成一串電壓脈沖?，F(xiàn)今有無數(shù)辦法將輸入音頻信號調(diào)制成電壓脈沖，最常用的技術(shù)是脈寬調(diào)制技術(shù)()。從原理上講，pwm調(diào)制是通過將輸入音頻信號與固定載波頻率的三角波舉行比較，產(chǎn)生一串和載波相同頻率的電壓脈沖。pwm脈沖的占空比正比于該載波周期內(nèi)音頻信號的幅度，占空比的變幻即包含了輸入音頻信號的變幻。因?yàn)檩d波頻率通常在音頻信號的1

4、0倍以上，從頻譜上分析，pwm調(diào)制在音頻范圍內(nèi)是無失真的。通常d類放大器輸出端通過一個lc銜接至揚(yáng)聲器上。lc濾波器用于濾除電壓脈沖信號中的高頻部分，重建音頻信號。我們知道，揚(yáng)聲器本身具有一定的頻響范圍，人耳基本上也不敏感音頻頻率范圍以外的信號，從這個角度來講，lc濾波器徹低可以從d類放大器中刪去。讓我們看一下刪去lc濾波器后會發(fā)生什么狀況。在沒有任何音頻輸入信號時，會產(chǎn)生一串50%占空比的脈沖，該脈沖挺直加在揚(yáng)聲器兩端，在揚(yáng)聲器內(nèi)部被濾波后重建至零輸入的直流狀態(tài)。這個過程會在揚(yáng)聲器的阻性負(fù)載上產(chǎn)生很大的功耗，降低了放大器的效率。三電平h橋輸出結(jié)構(gòu)徹低可以省去lc濾波器。在三電平h橋輸出結(jié)構(gòu)中

5、，輸入音頻信號及其反信任號同時和三角波比較，產(chǎn)生兩串不同的電壓脈沖加在h橋的兩個半橋上。兩串電壓脈沖的差分脈沖是實(shí)際加在揚(yáng)聲器兩端的電壓脈沖。我們同樣看一下沒有任何音頻輸入信號時的狀況。沒有輸入信號時，產(chǎn)生的兩串電壓脈沖同相且均為50%占空比，不會有任何差分脈沖產(chǎn)生，也就不會有任何功率損耗。當(dāng)輸入信號正向變大時，產(chǎn)生一串正向差分脈沖，揚(yáng)聲器上會有正向電流流過；當(dāng)輸入信號反向變大時，則產(chǎn)生一串反向差分脈沖，揚(yáng)聲器上會有反向電流流過。揚(yáng)聲器上的電流是在輸入信號變幻時按照需要產(chǎn)生的，并不會有多余的功耗被損失掉。實(shí)際的電路中，輸出級和驅(qū)動電路總會包含種種的不抱負(fù)因素，導(dǎo)致放大器輸出產(chǎn)生非線性失真。首先

6、，輸出級晶體管具有十分低的導(dǎo)通電阻，假如上下兩個輸出級晶體管同時導(dǎo)通，會產(chǎn)生一個從vdd到vss的低阻路徑通過晶體管，從而產(chǎn)生很大的沖擊電流。在電壓脈沖由高變低或由低變高時，極簡單發(fā)生輸出級晶體管同時導(dǎo)通的狀況。因此，避開輸出級晶體管同時導(dǎo)通很重要。為防止該狀況發(fā)生，必需在一個晶體管導(dǎo)通之前先強(qiáng)制將兩個晶體管都關(guān)斷。兩個晶體管都關(guān)斷的時光間隔稱為死區(qū)時光。死區(qū)時光會轉(zhuǎn)變原始pwm脈沖的占空比，并導(dǎo)致放大器輸出產(chǎn)生失真。設(shè)計(jì)中通常采納最短的死區(qū)時光，既防止輸出晶體管同時導(dǎo)通，又能將失真盡可能的減小。另外，輸出脈沖的升高時光和下降時光不匹配，以及輸出級晶體管驅(qū)動電路參數(shù)不匹配，同樣會轉(zhuǎn)變原始pwm

7、脈沖的占空比，進(jìn)而同樣在放大器輸出上產(chǎn)生失真。讓我們再看一下播放音樂時電源上會發(fā)生什么狀況。電源通過0.2電阻的輸出級晶體管挺直銜接至揚(yáng)聲器。實(shí)際的電源總是存在一定的內(nèi)阻，在播放音樂時，電源上會產(chǎn)生兩倍于信號頻率的紋波，紋波幅度會隨電源內(nèi)阻大小不同而不同。該紋波通過0.2電阻的輸出級晶體管挺直耦合到揚(yáng)聲器，在輸出信號中產(chǎn)生偶次音頻噪聲。從電路角度來看，這種音頻噪聲來自于較差的電源抑制比性能，即通過電源耦合，電源紋波會在放大器輸出上產(chǎn)生高階偶次失真。為了降低失真，可以采納類似ab類放大器的方式，通過閉環(huán)負(fù)反饋來提高電路性能。從原理上講，閉環(huán)負(fù)反饋是通過在比較器前增強(qiáng)噪聲整形濾波器，將放大器輸入輸

8、出間的誤差噪聲整形，衰減音頻范圍內(nèi)的失真，提高放大器的線性度。這種誤差既來自于輸出晶體管及驅(qū)動電路，也來自于電源紋波的挺直耦合，因此既提高了放大器的線性度，也提高了放大器的電源抑制比。類比于線性放大器，噪聲整形濾波器事實(shí)上為環(huán)路在音頻范圍內(nèi)提供了很大的開環(huán)增益。優(yōu)化設(shè)計(jì)的閉環(huán)d類放大器，可以達(dá)到psrr60db和thd0.1%的良好性能。pt5306/26是華潤矽威科技近期推出的兩款高性能d類放大器。pt5306為單通道2.5w d類放大器，pt5326是雙通道2.1w d類放大器。這兩款產(chǎn)品均采納閉環(huán)負(fù)反饋三電平h橋輸出pwm調(diào)制結(jié)構(gòu)，輸出端可不用法lc濾波器，挺直銜接至揚(yáng)聲器。通過細(xì)心設(shè)計(jì)

9、內(nèi)部噪聲整形濾波器，達(dá)到了良好的性能。從典型測試數(shù)據(jù)來看，性能參數(shù)決不亞于國外同類型產(chǎn)品。如3.6v電源電壓，8歐姆負(fù)載，0.5w輸出功率下，1khz頻率thd+n在0.1%，500hz頻率thn+n在0.06%。內(nèi)部集成4個0.25導(dǎo)通電阻的輸出晶體管構(gòu)成h橋輸出級，在5v電源電壓，8歐姆負(fù)載，1w輸出功率下，效率可達(dá)88%以上。這兩款產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于各類便攜式多媒體設(shè)備上，如手機(jī)、mp3、mp4、數(shù)碼相框和小功率便攜音箱上。pt5306/26 包含完整的 “噼啪聲”抑制計(jì)劃，以做到寧靜的關(guān)斷或喚醒放大器。在庇護(hù)電路方面，pt5306/26也細(xì)心集成了過熱和過流庇護(hù)。盡管d類放大器輸出級功耗

10、遠(yuǎn)低于線性放大器，但假如放大器長時光提供十分高的功率，仍會導(dǎo)致器件過熱。為了防止過熱危急，當(dāng)溫度超過熱關(guān)斷平安閾值時，輸出級關(guān)斷并保持到器件冷卻下來。另外，假如兩輸出端間短路，會產(chǎn)生巨大的電流，假如不實(shí)行庇護(hù)措施，大電流會損壞輸出級晶體管。因此，需要在輸出晶體管上添加最大電流限制，假如輸出電流超過平安閾值，輸出級自動關(guān)斷。放大器應(yīng)用時，常常會碰到輸入幅度過大的狀況。這種狀況會導(dǎo)致放大器輸出達(dá)到限幅狀態(tài)。處于限幅狀態(tài)的閉環(huán)調(diào)制器，即使輸入信號低至過載輸入幅度以下，調(diào)制器輸出仍滯后于輸入信號，長時光處于輸出過載狀態(tài)。這種滯后，在輸入大幅度信號時，放大器輸出端會引入額外的非線性。pt5306/26通

11、過細(xì)心設(shè)計(jì)的調(diào)制器防過載電路，在調(diào)制器過載條件消逝后，能迅速的跟上輸入信號的變幻。為了避開因?yàn)榉糯笃髯陨碓肼暜a(chǎn)生的嘶嘶聲，便攜式應(yīng)用的小功率放大器，通常要求90db的信噪比。pt5306/26通過細(xì)心的優(yōu)化電路中每一處噪聲源，達(dá)到了愜意的信噪比。pwm調(diào)制結(jié)構(gòu)容易簡單實(shí)現(xiàn)，但是會產(chǎn)生emi問題。從原理上講，pwm輸出電壓脈沖在載波頻率的倍頻上包含很大的能量，這些頻率重量會產(chǎn)生大量emi。如載波頻率500khz，從pwm輸出脈沖的頻譜上看，30mhz以內(nèi)載波諧波頻段上能量很大。用法三電平調(diào)制可以削減這些頻率重量的幅度。如要進(jìn)一步的減小這些頻率重量的幅度，可以通過抖頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)。pt5306/26包含抖頻調(diào)制技術(shù)，通過在一定頻率范圍內(nèi)不斷變幻載波頻率，將30mhz內(nèi)諧波頻率的能量均分到除音頻范圍外的囫圇頻帶中。通常，emi需要考慮對空間的輻射和通過揚(yáng)聲器及電源線的傳導(dǎo)。d類放大器調(diào)制計(jì)劃打算了傳導(dǎo)和輻射emi的基線譜。假如需要進(jìn)一步降低放大器的emi，可以用法一些板級的設(shè)計(jì)辦法。d類放大器應(yīng)用時，應(yīng)該注重電源