便攜設(shè)備中反饋網(wǎng)絡(luò)和擴譜調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

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當(dāng)今利用反饋網(wǎng)絡(luò)與頻率擴展技術(shù)改善開關(guān)的EMI己在便攜設(shè)備中的開關(guān)穩(wěn)壓器與現(xiàn)代D類放大器中獲得了應(yīng)用。這是什么原因？

現(xiàn)代D類放大器的高效特性，在日新月異的多媒體時代新潮中己成為便攜式和大功率應(yīng)用的理想選擇。之所以這樣是因許多現(xiàn)代D類放大器采用先進的擴譜調(diào)制技術(shù)，可使各種應(yīng)用免去外部濾波器并降低電磁于擾(EMl)。而省掉外部濾波器器不僅降低了電路板空間要求，同時大幅降低了很多便攜式/緊湊型應(yīng)用的成本。

由于開關(guān)穩(wěn)壓器能極大地節(jié)省空間并具有極低的功耗，則此穩(wěn)壓器正逐步取代線性穩(wěn)壓器，而進入各種新型應(yīng)用中。但開關(guān)穩(wěn)壓器有一個缺點，其內(nèi)部開關(guān)電流可能產(chǎn)生EMI。EMI的峰值能量集中在開關(guān)頻率上，降低EMI的傳統(tǒng)方法是謹(jǐn)慎處理接地、屏蔽和濾波。以上方法以控制和抑制穩(wěn)壓器內(nèi)部開關(guān)電流所產(chǎn)生的輻射為主。此外，降低開關(guān)電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。但確切地說，多相同步和擴展頻譜頻率調(diào)制(SSEM)及反饋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是降低EMI的兩種強有力的工具。此外，降低開關(guān)電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。

值此本文僅對其反饋技術(shù)、擴譜調(diào)制技術(shù)及新一代無濾波器D類放大器分析說明。因為對D類放大器及其的技術(shù)發(fā)展有一個基本理解，將有助于設(shè)計者為具體應(yīng)用選擇合適的放大器，并正確權(quán)衡某些功能特性的優(yōu)勢和劣勢。為此首先應(yīng)了介基于PWM方式的傳統(tǒng)D類放大器存在的問題。

1、傳統(tǒng)D類放大器存在的問題

傳統(tǒng)D類放大器的一個主要缺點就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因濾波元件的非線性而引入額外失真。很多D類放大器還會使用全橋輸出級。全橋電路使用兩個半橋輸出級，并以差分方式驅(qū)動負(fù)載。這種負(fù)載連接方式通常稱為橋接負(fù)載(BTL)。全橋結(jié)構(gòu)是通過轉(zhuǎn)換負(fù)載的導(dǎo)通路徑來工作的。因此負(fù)載電流可以雙向流動，無需負(fù)電源或隔直電容。傳統(tǒng)的、基于PWM的BTL型D類放大器各輸出波形。各輸出波形彼此互補，從而在負(fù)載兩端產(chǎn)生一個差分PWM信號。與半橋式拓?fù)漕愃疲敵龆诵枰粋€外部LC濾波器，用于提取低頻音頻信號并防止在負(fù)載上耗散高頻能量。

與所有傳統(tǒng)D類放大器一樣，基于PWM方式的典型D類放大器需要外部濾波元件，會產(chǎn)生EMI／EMC兼容性問題，并且THD+N性能較差，因此與線性放大器相比，它的高效優(yōu)勢大為失色。然而，現(xiàn)代D類放大器采用先進的調(diào)制和反饋技術(shù)，可很好地緩解上述問題。

2、利用反饋網(wǎng)絡(luò)改善性能

許多D類放大器采用PWM輸出至器件輸入的負(fù)反饋環(huán)路。閉環(huán)方案不僅可以改善器件的線性，而且使器件具備電源抑制能力。開環(huán)放大器卻正相反，它的電源抑制能力微乎其微。在閉環(huán)拓?fù)渲校驗闀z測輸出波形并將其反饋至放大器的輸入端，所以能夠在輸出端檢測到電源的偏離情況，并通過控制環(huán)路對輸出進行校正。閉環(huán)設(shè)計的優(yōu)勢是以可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題為代價的，這也是所有反饋系統(tǒng)共同面臨的問題。因此必須精心設(shè)計控制環(huán)路并進行補償，確保在任何工作條件下都能保持穩(wěn)定。

典型的D類放大器采用具有噪聲整形功能的反饋環(huán)路，可極大地降低由脈寬調(diào)制器、輸出級以及電源電壓偏離的非線性所引入的帶內(nèi)噪聲。這種拓?fù)渑c用在∑-△調(diào)制器中的噪聲整形類似。為闡明噪聲整形功能，圖1給出了為現(xiàn)代D類放大反饋補償回路以傳遞函數(shù)形式表達(dá)的示意圖，即一個1階噪聲整形器的簡化框圖。反饋網(wǎng)絡(luò)通常包含一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，但為簡便起見，圖1的反饋比例為1。由于理想積分器的增益與頻率成反比，圖中積分器的傳遞函數(shù)也被簡化為1／s。同時假定PWM模塊具有單位增益，并且在控制環(huán)路中具有零相位偏移。使用基本的控制模塊分析方法，可得到以下輸出表達(dá)式：

由等式1可知，噪聲項En(s)與一個高通濾波器函數(shù)(噪聲傳遞函數(shù))相乘，而輸入項VIN(s)與一個低通濾波器函數(shù)(信號傳遞函數(shù))相乘。噪聲傳遞函數(shù)的高通濾波器對D類放大器的噪聲進行整形。如果輸出濾波器的截止頻率選取得當(dāng)，大部分噪聲會被推至帶外(見圖1右上角坐標(biāo)糸統(tǒng))。上述例子使用的是1階噪聲整形器，而多數(shù)現(xiàn)代D類放大器采用高階噪聲整形拓?fù)洌员氵M一步優(yōu)化線性度和電源抑制特性。

3、新型無濾波器D類放大器的導(dǎo)出

傳統(tǒng)D類放大器的一個主要缺點就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因濾波元件的非線性而引入額外失真。幸好，很多現(xiàn)代D類放大器采用了先進的“免濾波器”調(diào)制方案，從而省掉或至少是限度降低了外部濾波器要求。圖2給出免濾波器調(diào)制器拓?fù)涞暮喕δ芸驁D。與傳統(tǒng)的PWM型BTL放大器不同，每個半橋都有自己專用的比較器，從而可獨立控制每個輸出。調(diào)制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅(qū)動。當(dāng)兩個比較器輸出均為低電平時，D類放大器的每個輸出均為高。與此同時，或非門的輸出變?yōu)楦唠娖?，但會因為RON和CON組成的RC電路而產(chǎn)生一定延時。一旦或非門延時輸出超過特定門限，開關(guān)SWl和SW2隨即閉合。這將使OUT+和OUT-變?yōu)榈?，并保持到下個采樣周期的開始。這種設(shè)計使得兩個輸出同時開通一段短時間t0N(MIN)，這個時間由RON和CON的值決定。如圖3所示，輸人為零時，兩個輸出同相并具有t0N(MIN)的脈沖寬度。隨著音頻輸入信號的增加或減小，其中一個比較器會在另一個之前先翻轉(zhuǎn)。這種工作特性外加短時間導(dǎo)通電路的作用，將促使一個輸出改變其脈沖寬度，另一個輸出的脈沖寬度保持為t0N(MIN)(圖3)。這意味著每個輸出的平均值都包含輸出音頻信號的半波整流結(jié)果。對兩路輸出的平均值進行差值運算，便可得到完整的輸出音頻波形。

由于MAX9700的輸出端在空閑時為同相信號，所以負(fù)載兩端沒有差分電壓，從而限度降低了靜態(tài)功耗，并且無需外部濾波器。免濾波器D類放大器從輸出中提取音頻信號時并不依靠外部LC濾波器，而是依靠揚聲器負(fù)載固有的電感以及人耳的聽覺特性來恢復(fù)音頻信號。揚聲器電阻(RE)和電感(LE)形成一個1階低通濾波器，其截止頻率為：

對大多數(shù)揚聲器而言，這個l階滾降足以恢復(fù)音頻信號，并可防止在揚聲器電阻上耗散過多高頻開關(guān)能量。即使依然存在殘余開關(guān)能量使揚聲器組件產(chǎn)生運動，這些頻率也無法入耳被聽到或影響聽覺感受。使用免濾波器D類放大器時，為獲得輸出功率，揚聲器負(fù)載應(yīng)保證在放大器開關(guān)頻率下仍為感性負(fù)載。

4、利用D類放大器延長電池使用壽命

高效D類音頻功率放大器使電池使用壽命延長為傳統(tǒng)線性放大器的兩倍，從而使音樂播放時間更長。DC音量控制等特性不僅降低了系統(tǒng)成本，實現(xiàn)了板級空間的化，同時其低噪聲底限能擴大動態(tài)范圍，并優(yōu)化音頻質(zhì)量。D類音頻放大器可為你的便攜式揚聲器系統(tǒng)提供靈活的低成本設(shè)計解決方案，見圖4示意圖。圖4中D類放大器可采用TPA2022D2型2×3WD類放大器。該解決方案應(yīng)用范圍為：音頻基座，迷你揚聲器，輕便型收錄機。其特性為：8Ω揚聲器提供的88％的D類放大效率；集成DC音量控制范田為-38dB至20dB，而步長為2dB；低噪聲底跟；42μVrms；電源墳波抑制比(PSRR)70dB；TPA2022D2型為24引腳HTSSOP封裝。

5、降低EMI有效技術(shù)—擴譜調(diào)制的應(yīng)用

免濾波器工作方式的一個缺點就是可能通過揚聲器電纜輻射EMI。由于D類放大器的輸出波形為高頻方波，并具有陡峭的過渡邊沿，因此輸出頻譜會在開關(guān)頻率及開關(guān)頻率倍頻處包含大量頻譜能量。在緊靠器件的位置沒有安裝外部輸出濾波器的話，這些高頻能量就會通過揚聲器電纜輻射出去。免濾波器D類放大器采用”擴譜調(diào)制方案，可幫助緩解可能的EMI問題。

擴展頻譜模式下，采樣時鐘頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)逐周期變化，使輸出頻譜的分布比較平坦，從而改善了經(jīng)過喇叭或音頻線纜的EMI輻射(見圖5所示)。采樣頻率的變化不會破壞音頻信號的恢復(fù)，也不會降低整體效率。

一些D類放大器也可允許接受外部的系統(tǒng)頻率同步，來降低或避開敏感的頻帶。另外，現(xiàn)代D類放大器具有主動幅射限制電路(AEL)，AEL電路會在輸出瞬變時主動控制輸出FET的柵極，避免傳統(tǒng)D類放大器中因感性負(fù)載的續(xù)流所引起的高頻幅射，進而降低EMI。

例如MAX9705、MX9773兩款現(xiàn)代D類放大器除了具有普通的固定頻率模式(FFM)、擴展頻譜模式(SSM)、外部同步模式及SSM+AEL模式，用戶可利用其SYNC引腳設(shè)定取樣頻率。現(xiàn)代D類放大器，加上仿真程序的計算，可計算出各個模式下的EMI特性。擴展頻譜模式+主動幅射限制模式下，提供的EMI抑制。

通過抖動或隨機化D類放大器的開關(guān)頻率實現(xiàn)擴譜調(diào)制。實際開關(guān)頻率相對于標(biāo)稱開關(guān)頻率的變化范圍可達(dá)到土10％。盡管開關(guān)波形的各個周期會隨機變化，但占空比不受影響，因此輸出波形可以保留音頻信息。圖6顯示以MAX9700為例的擴譜調(diào)制的效果，是在OUT+或OUT-與地之間寬帶(為10KHz)的輸出頻譜測量效果，即擴譜調(diào)制將MAX9700的頻譜能量分布在更寬的頻帶內(nèi)。擴譜調(diào)制有效展寬了輸出信號的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開關(guān)頻率及其各次諧波上。換句話說，輸出頻譜的總能量沒有變，只是重新分布在更寬的頻帶內(nèi)。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，因而將揚聲器電纜輻射EMI的機會降至少。雖然一些頻譜噪聲可能由擴譜調(diào)制引入音頻帶寬內(nèi)，這些噪聲可以被反饋環(huán)路的噪聲整形功能抑制掉。

很多現(xiàn)代免濾波器D類放大器還允許開關(guān)頻率同步至一個外部時鐘信號。因此用戶可以將放大器開關(guān)頻率設(shè)置到相對不敏感的頻率范圍內(nèi)。

盡管擴譜調(diào)制極大地改善了免濾波器D類放大器的EMI性能，為了滿足FCC或CE輻射標(biāo)準(zhǔn)，實際上還是需要對揚聲器電纜長度加以限制。如果設(shè)備因揚聲器電纜過長而沒能通過輻射測試，則需要一個外部輸出濾波器來衰減輸出波形的高頻分量。對于許多具有適度揚聲器電纜長度的應(yīng)