【经验】Silicon Labs高功率D类音频放大器设计性能分享,优势远远超过传统模拟放大器

2018-10-14 Silicon Labs
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绿色节能,成本较低以及对更高音频保真度的需求推动了D类放大器在高功率音频中的应用。传统的模拟实现,例如AB类拓扑,更复杂,效率更低,但由于其高保真性能,所以占据了高端音频市场的主导地位。D类系统正在通过更简单,更高效的设计迅速缩小这一差距,并提供可超越模拟放大器的保真度。

 

典型的D类音频系统将其输入端的音频信号转换为数字脉冲宽度调制(PWM)信号,在数字域中进行功率放大,然后在其输出端将数字信号转换回模拟信号。如图1所示,输入音频信号被施加到由运算放大器和比较器组成的PWM调制器。该调制器通过改变调制器占空比来数字化音频输入,该调制器占空比与音频输入信号的瞬时值成正比。

 

将该PWM信号适当地电平移位并施加到栅极驱动器,该栅极驱动器用于切换由MOSFET(M1和M2)组成的双态电源电路。将得到的放大信号通过输出滤波器,该滤波器去除PWM载波频率,仅留下最终驱动扬声器的放大模拟音频信号。从滤波器输入到误差放大器输入的外部反馈回路进一步增强了音频输出保真度,从而减少了失真和噪声。


图1:D类放大器基本框图

 

下面就D类放大器特性进行讨论。

 

功率效率

通常模拟功率放大器依赖于容易产生高功率损耗的线性放大电路。相比之下,D类放大器的功率效率可以达到90%或更高。这种高效率是D类技术中固有的,其中二进制开关(通常是功率MOSFET)是放大机制。这些开关完全开启或完全关闭,并且在这两种状态之间转换的时间非常短。 这种分立开关和低MOSFET导通电阻可最大限度地降低I2R损耗并提高效率。然而,在实践中,开关转换时间(死区时间)必须足够长,以避免由于两个开关同时接通而导致的穿透电流效率损失。

 

高保真度

音频保真度可以定义为再现声音的准确性。对于音频系统来说,保真度是涵盖所有“声音质量”一词的代称。使用各种规格来量化保真度,虽然通常使用几种措施,但我们将重点关注那些对设计人员构成最大挑战的措施,即总谐波失真(THD)和噪声(N),统称为THD+N。

 

THD是衡量一个音频系统的精确度,并且非常类似于高保真度本身。信号再现中的不准确在输入频率的谐波倍数处产生附加信号分量,这明显地偏离了输出信号的纯度。THD是所有谐波频率中不需要的能量与输入基频能量的比率,通常以给定系统的全功率的一半来测量。虽然THD性能小于0.1%对于大多数非嗜听音频应用是足够的,但是挑剔的听众通常更喜欢0.05%或更小的THD级别。

 

输出噪声电平是无信号输入时放大器输出的本底噪声电平的度量。对于大多数扬声器而言,从大多数正常聆听距离听不到100-500μV的本底噪声,而高达1 mV的本底噪声将会非常烦人。结合起来,THD+N是给定放大器中音频保真度的非常好的衡量标准。

 

可编程死区时间

D类放大器的死区时间(即两个开关断开的时间)直接影响效率和THD。过短的死区时间导致穿透电流,降低效率;过长的死区时间导致THD增加,这对音频保真度产生负面影响。

 

因此,必须精确设置死区时间,以达到优化功率效率和THD的目的。当今可用的典型高压音频驱动器(HVIC)具有粗略和重叠的死区时间设置(即n个延迟值的1);因此,大多数设计者选择离散地实现死区时间段,这有些费时且昂贵。一个更省时省力的解决方案将是集成一个高精度死区发生器的栅极驱动器。



图2:死区时间及其对THD和功耗性能的影响

 

电平转换

由于输入电平转换要求,实现双态D类放大器可能很困难。在高功率D类放大器中,需要为功率MOSFET级提供高压电源轨(±VSS)。对于实际的D类放大器设计,±100 Vdc的电压可以为8Ω提供600瓦音频功率。


大多数可用的HVIC D类驱动器缺乏提供从低压调制部分到高压功率部分的电平转换的能力。而提供电平转换的驱动器存在其他缺陷,使其不太适合D类操作。例如,驱动器输出接地端子以负电压轨为参考,要求输入驱动信号电平转换为负电源。此功能是通过分立组件添加的,这成本较高,难以设计,而且占用过多的空间。用于连接高压双极电源轨的电平转换解决方案将成为D类设计的重要优势。

 

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,因此有必要提供具有额外组件的电平转换机制


图3:将低压数字调制器连接到高压双极性输出电源所需的电平转换

 

可靠性和抗噪性

目前可用的典型栅极驱动器IC具有在20V/ns或更大的高压瞬态下锁存的趋势,通常对于从功率级耦合到精密数字输入侧的高转换率噪声瞬变没有任何抵抗力,当需要保持尽可能低的噪声以获得最佳音频保真度时,这就成为一个主要缺点。

 

高频操作

D类栅极驱动器最大优势是能够以最小的传播延迟在高开关频率下操作。这些属性允许反馈路径中的总环路延迟非常低,以获得最佳噪声性能。更高频率的操作也改善了“环路增益”,这通常会改善放大器的失真性能。目前大多数HVIC驱动器仅支持高达1 MHz的调制频率。

 

D类放大器的性能远远超出传统的模拟放大器,其拥有更低的总谐波失真(THD),更小的电路板空间,更高的功率效率和更低的BOM成本。高度集成的栅极驱动器IC可对系统架构和音频性能产生显着的积极影响。集成所有这些特性的解决方案使D类放大器设计者能通过最节省时间和成本的方式设计出产品来。

 

SILICON LABSSi8241/Si8244音频驱动器是首款在单个IC封装中有效集成高功率D类解决方案所需功能的器件,其优点包括:

• 高精度死区时间设置,以尽可能降低THD和效率;

• 消除电平转换电路,降低设计复杂性和元件数量;

• 隔离输出驱动器,可轻松实现双态切换器,并具有很高的电源瞬变免疫能力。

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ROHM(罗姆)音频/视频IC选型指南(中文)

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型号- BA3123F,BD5632NUX,BH3548F,BD34704KS2,BH76363FV,BH76806FVM,ML86112,BD37069FV-M,BD37034FV-M,BH76812FVM,BD5467GUL,BD37511FS,BD88215GUL,BD5413EFV,ML86V7668A,BD78316EFJ-M,BD34301EKV,BD88400FJ,BD78318EFJ-M,ML86245,BD5461GUL,BD37542FS,ML86243,ML86640,ML86244,BD28623MUV,BH76112HFV,ML86241,BH7649KS2,ML86242,BD78320EFJ-M,ML86V76580,ML86240,BD37523FS,BD27400GUL,BD88210GUL,BD5424EFS,BD3465FV,BD8876FV,BD5638NUX,BH76360FV,BD78322EFJ-M,BD88415GUL,BD37503FV,BD7830NUV,BD37533FV,BD37514FS,ML86V7675,ML86V8401,BD5469GUL,MUS-IC™系列,BD3843FS,BD3461FS,BH76332FVM,ML86101A,BU26154MUV,BD3870FS,BD34701KS2,BH76906GU,BD37541FS,BH76206HFV,BD88410GUL,ML86781,BD37515FS,BD34700FV,BD37534FV,BD5466GUL,BD37522FS,BD78306EFJ-M,BH7673G,BH3544F,BD3464FV,BH76361FV,ML86799,BD34352EKV,ML86797,ML86795,BD5460GUL,ML86796,BU94605AKV,BD37513FS,BD37532FV,ML86V8102,BD78310EFJ-M,ML86V8101,BD88220GUL,BD3460FS,BD3403FV,BU6521KV,BD37068FV-M,BD78308EFJ-M,BD88400GUL,BH76816FVM,BH76330FVM,BD78324EFJ-M,ML86V7655,BD78312EFJ-M,ML86209,BH76333FVM,ML86207,BD3474KS2,BU94702AKV,BD3871FS,BD37033FV-M,ML86203,BD78326EFJ-M,BD88200GUL,ML86289,ML86287,ML86321,BD37544FS,BD7836EFV,BD34602FS-M,ML86160,BU26156RFS,BD3814FV,BD37521FS,BD5468GUL,BD28412MUV,BD3491FS,BU1523KV,BH76109HFV,BD8878FV,BD5634NUX,BA3121F,BD3883FS,BH76362FV,BH76916GU,ML86177,BH76912GU,ML86175,ML86173,ML86174,ML86172,BD5465GUL,BD37531FV,ML86290,BD37512FS,ML86V8201,ML86291,MUS-IC™,BD3841FS,BU7150NUV,BH76106HFV,BD88420GUL,BH3547F,BD34705KS2,BD37067FV-M,ML86V8202C,BD37543FS,BD5423AEFS,BH76809FVM,BD37524FS,BD3812F,BD78314EFJ-M,BM28723AMUV,BD5426EFS,BD3490FV,BD37201NUX,BH76331FVM

2023/2/22  - ROHM  - 选型指南 代理服务 技术支持 采购服务

TDA2030A 18W高保真功放和35W驱动器

描述- 该资料介绍了XBLW TDA2030A是一款采用Pentawatt封装的音频放大器集成电路。它具有高功率能力,可在4欧姆负载下提供高达35W的真实有效功率(THD = 10%,VS = 36V,f = 1kHz),在8欧姆负载下提供32W真实有效功率(THD = 10%,VS = 44V,f = 1kHz)。此外,TDA2030A在22.5V供电电压下,1秒内可向4欧姆负载提供典型50W的音乐功率。其低谐波失真和高保真性能使其适用于Hi-Fi和高级电视。

型号- TDA2030A

2023/11/3  - 芯伯乐  - 数据手册  - version1.0 代理服务 技术支持 采购服务

WTN6040FP-14S规格书

描述- WTN6040FP-14S是一款由深圳唯创知音电子有限公司开发的高功率语音芯片。该芯片具有内置的D类音频功率放大电路,可直接驱动4Ω 3W@5V扬声器,支持PWM音频输出。芯片支持单线串行和双线串行通信,可在线更新内部语音内容,具有低功耗、高效率、抗干扰能力强等特点。

型号- WTN6040FP-14S

2024/4/7  - 唯创知音  - 数据手册  - V1.01 代理服务 技术支持 采购服务

【经验】大功率D类音频放大器设计如何选型?

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。

2018-07-10 -  器件选型 代理服务 技术支持 采购服务

HT3382 2×75W D类立体声音频功放

描述- HT3382是一款高效的D类音频功率放大器,适用于多种音频设备。它能在24V供电下提供高功率输出,并具备多种保护功能和扩频技术以减少电磁干扰。

型号- HT3382MTER,HT3382

2023/10/24  - 禾润  - 数据手册 代理服务 技术支持 采购服务

VA9201立体声D类放大器,集成用于电池应用的升压控制器

描述- VA9201是一款集成了电流模式升压控制器的多功能的立体声功率放大器,适用于电池供电应用。该产品能够在18V升压供电下提供20W立体声输出,在22V升压供电下每通道提供30W/8Ω输出,总谐波失真低于10%。VA9201具有无源输出滤波器设计、全差分输入和可编程增益等特性,适用于便携式电子设备。

型号- VA9201

2023/9/18  - 昱盛电子  - 数据手册  - Rev P.00 代理服务 技术支持 采购服务

HT328立体声D类音频功放 免电感滤波2×30W D类立体声音频功放(HT328 2×30W Inductor Free Class D Stereo Amplifier)

描述- HT328是一款高效的立体声D类音频功率放大器,适用于多种消费类音频应用。它能够在不同的工作模式下提供高功率输出,同时具备高效率和低功耗的特点。该产品支持单电源系统,具有宽电压输入范围和丰富的保护功能。

型号- HT328,HT328A2MTET,HT328A1MTET,HT328A1MTER,HT328A2MTER,HT328A1MTEAR,HT328A2MTEAR,HT328A2MTEAT

02/2022  - 禾润  - 数据手册  - V0.6 代理服务 技术支持 采购服务

Nisshinbo(日清纺)车载用芯片选型指南(英文)

描述- "Nisshinbo Micro Devices Inc. is the result of the integration of former New Japan Radio Co., Ltd. and former RICOH Electronic Devices Co., Ltd. Both companies, having contributed to expanding the Nisshinbo Group's microdevices business so far, will further grow as an ""Analog Solution Provider"" for growing markets by strengthening structure and achieving synergies through business integration.

型号- R1515,R1516,R1513,R1514,R1517,R1518,NJU7089,R3134,R1511,R1510,R1191,NJG1187KG1,R1190,NSNJ9205,R1526,R1524,R1525,NJU7077,NJU7870,NSNJ9208,NA1150,NJU72040,R8156,R8153,R8152,R8155,RN5T569,R8154,R8151,RP550,R8150,NJG1814MD7,NJG1175KG1,NJU77701,NJG1159PHH-A,RP108,R3154,R3152,NJW4760,R8160,NJG1801AKGC-A,NJG1182UX2,R3120XXXXE,NJU7890,NSNJ9200A,R3120XXXXA,NJG1186PJL-A,R1540,R5106,R5107,NJG1804K64,R5108,R5109,NJG1150UA2,R5104,R5105,R3160,NJG1815AK75-A,NJU72015,NT1191GEAE3A,NL6012,R8315XXXXA,NV3601,R8315XXXXB,R8315XXXXE,R8315XXXXF,NV3600,R1276,NJG1681MD7,NJG1669MD7,NJG1155UX2,R1278,NJW4107,NJW4106,NJW1871,NR1640,NJW4105,NJW4104,R1272,NJM2369,R1273,R8300XXXXA,R1270,ND1433,R1271,R1150,MUSES8920A,R8300XXXXE,R8300XXXXG,NJM41001,NJM41005,R5524,R8359,R8358,NJG1684ME2,R5523,R8355,NJW4116,R8357,R8356,R1163,NJW4110,NJG1818K75,NJM2815,NJM2816,RP510,NJW4152BA,R3118,R3117,R3116,NJM2904B,NJM8208,NJG1144KA1,R1290,R1170,NJW4203,R1294,R1171,R1172,NT1193FAAE1S,NJM2903,R8360,NJU72060,NJU71091,NJG1801BKGC-A,NJU71094,R1500,R1501,R1180,R3119XXXA,NT1192FAAE1S,R3119XXXB,NJM2119,NP4271,NJM8532T1,RN5C750,R1114,R8300,NJW4148,NJW4142,NJW4140,NC2905,NJU77572,NJG1187AKGC-A,NJU8759A,NJU7907A,NJU7047T1,R1245,NJW4830,NJM11100,NJW4154,NJG1809ME7,RP154,NJU72090,NJM8080,NJU72097,NJG1802K51,NJM8087,NJW4119,RP506,R1130,NJM12884,RP170,RP171,NT1195FAAE1S,NJU77552,NJM8532,NJG1801K75,NL9000,R1260,NJW4133,NJW4254,NJW4132,NJW4250,NJU7046,NJU7047,NJU77242,R3119XXXXA,NJW4152-BA,R3119XXXXE,R5117,NJG1806K75,NJG1812MET-A,R5114,NJG1817ME4,R5115,NJW1871A,R5116,R5110,R5111,R3121XXXXG,R5112,RN5T5611,R3121XXXXA,NP8700,NT1191GEAE3S,NJG1815K75,R3121XXXXE,NJW4182,NJU7367B,NJU77252,R3151XXXXE,R3151XXXXF,MJU71091,R3151XXXXA,R1560,R1561,R3151XXXXB,NJW4868,R3500,NJW1241,NJW1240,NJG1812AMET-A,NJW4750,RP111,RP115,NJU77582,R1211,NJG1161PCD,NJW4722,NJW4841,NC2780,NJG1682MD7,NJU7907B,NR1700,NJU7057,R3150XXXXE,R3150XXXXF,R1580,NJU77903,NJM2879,RP130,NJW4175,RP132,NJW4171,R3150XXXXA,R3150XXXXB

2024/1/18  - NISSHINBO  - 选型指南 代理服务 技术支持 采购服务

VA2218无滤波器D类音频放大器

描述- VA2218是一款低成本、无滤波器的D类立体声音频功率放大器,适用于多种电源电压范围。它具有简单的电压分压器增益控制,可输出30W每通道的功率,适用于高功率输出扬声器。VA2218具有功率限制功能,确保扬声器安全运行,并具有抗噪、输出短路和过热保护电路,以提高设备可靠性。

型号- VA2218TQG48,VA2218TSG28,VA2218,VA2218□□□

2021/11/26  - 昱盛电子  - 数据手册  - Rev A.03 代理服务 技术支持 采购服务
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品牌:英锐芯

品类:功放3W芯片

价格:¥0.5734

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品牌:屹晶微电子

品类:无滤波器D类立体声音频功放

价格:¥0.7715

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品牌:禾润

品类:I²S Input Stereo Class D Amplifier

价格:¥6.4500

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品牌:禾润

品类:I²S Input Stereo Class D Amplifier

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品牌:WILLSEMI

品类:音频线路驱动器

价格:¥1.8462

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品牌:WILLSEMI

品类:音频线路驱动器

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品牌:WILLSEMI

品类:音频线路驱动器

价格:¥2.3077

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品牌:禾润

品类:Stereo Class D Amplifier

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品牌:微源半导体

品类:Audio Power Amplifier

价格:¥0.6700

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品牌:昱盛电子

品类:Mono Class D Amplifier

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品牌:SKYWORKS

品类:Audio Driver

价格:¥14.4688

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品牌:SKYWORKS

品类:CMEMS OSCILLATOR

价格:¥0.8369

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品牌:SILICON LABS

品类:Switch Hall Effect Magnetic Position Sensor

价格:¥2.2924

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品牌:SKYWORKS

品类:CMEMS OSCILLATOR

价格:¥0.8369

现货:75,000

品牌:SKYWORKS

品类:driver

价格:¥2.7896

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品牌:SKYWORKS

品类:BROADCAST FM RADIO TUNER

价格:¥4.1230

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品牌:SKYWORKS

品类:CMEMS OSCILLATOR

价格:¥1.3948

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品牌:SKYWORKS

品类:Broadcast FM Radio Tuner

价格:¥4.3704

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品牌:SKYWORKS

品类:CMEMS OSCILLATOR

价格:¥1.3948

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品牌:SILICON LABS

品类:Light Sensor

价格:¥20.3400

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超薄/不锈钢/高功率VC/铜VC均温板定制

可定制VC厚度最薄0.25±0.03mm,Qmax 650W,0.4mmVC可设计最大散热面积6000 mm2,铜VC可采用复合毛细结构:蚀刻+铜粉烧结。

最小起订量: 10000 提交需求>

晶体回路匹配测试

测试范围:扬兴晶振全系列晶体,通过对晶体回路匹配分析,调整频率、驱动功率和起振能力,解决频偏、不起振、干扰、频率错误等问题。技术专家免费分析,测完如有问题,会进一步晶振烧录/修改电路。

实验室地址: 深圳 提交需求>

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授权代理品牌:接插件及结构件

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