【经验】大功率D类音频放大器设计如何选型？

时间： 2018-07-10 来源：世强

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过去，人们普遍认为开关放大器不可能超越线性放大器。然而，经过好的设计后，D类放大器可以发挥更优越的音频处理性能。D类音频放大器具有超过90%的效率和接近0%的谐波失真，并且没有可听见的噪声，为音频系统提供了理想的特性。相比AB类放大器，D类放大器不仅功率大、效能高，更为重要的是失真率低，音质出众。当设计要求提高输出功率时，D类放大器比AB类的优势更加突出。

一个典型的D类音频放大器包含三大部分：PMW调制器、开关电路和LPF滤波器（如下图中红色框所示）。其工作原理为：将模拟音频信号转变成PWM数字信号，在数字区域进行功放，然后重新把数字信号转变成模拟音频信号输出。

图一：典型的D类音频放大器组成及原理

其中，输出级到输入级误差放大器的反馈环至关重要，这减少了失真和噪声，保证了D类音频放大器的高保真音质。

目前，先进的大功率D类音频放大器芯片的发展趋势及主要特性包括如下几个方面：

（1）高集成度

随着芯片工业的飞速发展，能够将很多特性集成在单芯片上，而无需其它外围电路，无疑向D类放大器设计者提供了更为优势的解决方案。使他们能够减少设计元件数量、降低开发成本、提高电路可靠性，并快速将产品推向市场。

SILICON LABS公司的Si8241/Si8244芯片在单芯片上集成了几乎所有D类音频放大器的先进特性，从性能、体积、成本各方面来说，都是音频设计者的理想选择。

（2）高频率工作

D类驱动器的最佳特性之一为它的高开关频率工作能力，并且具有很小的传播延迟。这些特性使得反馈通路的总环路延迟能够达到最低。更高的频率工作也改善了环路增益，可以显著改善放大器的失真性能。当前大多数高压驱动器IC仅支持最大1MHz的调制频率。

Silicon Labs公司的Si8241/Si8244芯片拥有高达8MHz的调制工作频率，能实现最佳THD（总谐波失真率）。

（3）可靠性和噪声免疫性

目前典型的门驱动器IC大多以20V/ns或更高速度进行开关，而且对于从电源边耦合回精密数字输入边的高压摆率噪声没有任何免疫能力。这对于需要将噪声门限降到尽可能低的高保真音质要求来说，是一个巨大的缺陷。

Silicon Labs公司的Si8241/Si8244芯片具有>100 V/ns的高门槛噪声免疫能力，而且输入和输出完全隔离，将噪声影响降到最低。

（4）死区控制

为了得到更好的音质效果，PWM开关波形的形状和时间是关键。通常要将PWM信号进行滤波和整形处理，使波形变得干净，上升/下降沿变得陡峭，时间宽度更为准确。由于输出信号电流的交替变化，功率级输出波形存在一定死区，使放大电路产生了非线性度。在大功率放大应用中，随着D类放大器的增益变大，扬声器的负载电流比电感的纹波电流大很多，调制器的输出脉冲中的死区得到有效减弱。不幸的是，虽然减弱的死区减少了谐波失真，但增加了击穿电流的危险。

图二：死区产生原理及其效果

死区对于D类放大器来说，是一个很重要的影响因素。如果死区过短，则会产生冲击电流，影响放大效率；如果死区过长，则会增加谐波失真，影响声音质量。为了解决此问题，必须精确控制死区时间，找到一个最佳点，使得功放效率和谐波失真达到最优化效果。为此，出现了死区调节技术。现今的高压音频驱动通常采用粗糙和重叠的死区设置值（例如1/n延迟值），大多数设计者采用分立元件来控制死区周期，这样做既耗时又耗钱。更为简洁和经济的解决方法是集成一个带有高精度死区发生器的门驱动器。

Silicon Labs公司的Si8241/Si8244芯片，内部集成了一个可编程死区时间控制门，可以进行精确的可编程死区控制，使其达到尽可能低的总谐波失真和最佳效率的平衡。

图三：Si8241/Si8244芯片内部的可编程死区时间控制门

（5）电平转换

实现两级D类放大的难点在于需要对输入信号进行电平转换。在大功率D类放大器中，对功率MOSFET级采用高电压双极电源(± VSS)进行供电是必要的。在实际的D类放大器设计中，±100 VDC直流供电电压可以在8Ω阻抗上实现惊人的600W音频功率传输。市场上大多数高压D类驱动器IC不能实现从低压调制部分到高压调制部分的电平转换。一些能提供电平转换的芯片也具有其它一些缺陷，使其不能完美实现D类放大的功能。此外，由于大多数驱动器解决方案不提供输入到输出的隔离或驱动器之间的隔离，也只能通过增加外围电路来实现电平转换，既增加了成本和空间，设计难度也变大。

为高压双极供电轨提供一个隔离接口来进行电平转换的解决方案在D类放大器设计中具有很大的优势。Silicon Labs的Si8241/Si8244芯片内部采用隔离电平转换接口，不用增加任何外部器件和电路，既保证了输入输出隔离，也实现了输出之间隔离。输出隔离电压达到1500Vrms。这意味着输出级最高可以使用±750 V双极高电压供电。

图四：Si8241/Si8244的隔离电平转换接口解决方案

结论

D类音频放大器具有远超过传统模拟放大器的特性，包括更低的谐波失真，减少了电路板空间，具有更高的功率效率和更低的物料成本。拥有高集成度的大功率D类音频放大器IC既能优化系统架构又能很大程度提高音质。Silicon Labs的Si8241/Si8244音频驱动器是第一个将众多的特性集成到单芯片上的大功率D类放大解决方案，是进行大功率音频设计的理想选择。