適用消費電子的三電平H橋輸出D類放大器

音頻功率放大器無所不在，有音樂響起的地方就會有音頻放大器的身影，一代代的電子工程師在這個領(lǐng)域辛勤耕耘撒播智慧。音頻放大器是要以一定的音量和功率在揚聲器或耳機(jī)上真實、高效的重現(xiàn)聲音信號。真實和高效一直是功率放大器領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的源動力。音頻頻率范圍約為20Hz～20kHz，要求放大器必須在此頻率范圍內(nèi)具有良好的頻率響應(yīng)；根據(jù)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)別在于，AB類放大器采用互補輸出級，通過在輸出端加一定的偏置電流以防止交越失真，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)載提供瞬時連續(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類放大器采用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)生一串電壓脈沖。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)通電阻通常在0.2Ω，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)省印制電路板上用于散熱的金屬面積，可以省去專用的散熱片，并能夠延長便攜式設(shè)備的電池使用時間。

　　D類放大器工作時，首先必須將輸入音頻信號調(diào)制成一串電壓脈沖?，F(xiàn)今有很多方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)(PWM)。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進(jìn)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，占空比的變化即包含了輸入音頻信號的變化。由于載波頻率通常在音頻信號的10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濾波器連接至揚聲器上。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濾波器完全可以從D類放大器中刪去。讓我們看一下刪去LC濾波器后會發(fā)生什么情況。在沒有任何音頻輸入信號時，比較器會產(chǎn)生一串50%占空比的脈沖，該脈沖直接加在揚聲器兩端，在揚聲器內(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)完全可以省去LC濾波器。在三電平H橋輸出結(jié)構(gòu)中，輸入音頻信號及其反相信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際加在揚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情況。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，揚聲器上會有反向電流流過。揚聲器上的電流是在輸入信號變化時根據(jù)需要產(chǎn)生的，并不會有多余的功耗被損失掉。

　　實際的電路中，輸出級和驅(qū)動電路總會包含種種的不理想因素，導(dǎo)致放大器輸出產(chǎn)生非線性失真。首先，輸出級晶體管具有非常低的導(dǎo)通電阻，如果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，極容易發(fā)生輸出級晶體管同時導(dǎo)通的情況。因此，避免輸出級晶體管同時導(dǎo)通很重要。為防止該情況發(fā)生，必須在一個晶體管導(dǎo)通之前先強制將兩個晶體管都關(guān)斷。兩個晶體管都關(guān)斷的時間間隔稱為死區(qū)時間。死區(qū)時間會改變原始PWM脈沖的占空比，并導(dǎo)致放大器輸出產(chǎn)生失真。設(shè)計中通常采用最短的死區(qū)時間，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，輸出脈沖的上升時間和下降時間不匹配，以及輸出級晶體管驅(qū)動電路參數(shù)不匹配，同樣會改變原始PWM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)生什么情況。電源通過0.2Ω電阻的輸出級晶體管直接連接至揚聲器。實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0.2Ω電阻的輸出級晶體管直接耦合到揚聲器，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，可以采用類似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加噪聲整形濾波器，將放大器輸入輸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直接耦合，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，噪聲整形濾波器實際上為環(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)計的閉環(huán)D類放大器，可以達(dá)到PSRR>60dB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)品均采用閉環(huán)負(fù)反饋三電平H橋輸出PWM調(diào)制結(jié)構(gòu)，輸出端可不使用LC濾波器，直接連接至揚聲器。通過精心設(shè)計內(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0.25Ω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USB便攜音箱上。

　　PT5306/26 包含完整的 “噼啪聲”抑制方案，以做到安靜的關(guān)斷或喚醒放大器。在保護(hù)電路方面，PT5306/26也精心集成了過熱和過流保護(hù)。盡管D類放大器輸出級功耗遠(yuǎn)低于線性放大器，但如果放大器長時間提供非常高的功率，仍會導(dǎo)致器件過熱。為了防止過熱危險，當(dāng)溫度超過熱關(guān)斷安全閾值時，輸出級關(guān)斷并保持到器件冷卻下來。另外，如果兩輸出端間短路，會產(chǎn)生巨大的電流，如果不采取保護(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，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級自動關(guān)斷。

　　放大器應(yīng)用時，經(jīng)常會遇到輸入幅度過大的情況。這種情況會導(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，長時間處于輸出過載狀態(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通過精心設(shè)計的調(diào)制器防過載電路，在調(diào)制器過載條件消失后，能快速的跟上輸入信號的變化。

　　為了避免由于放大器自身噪聲產(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通過精心的優(yōu)化電路中每一處噪聲源，達(dá)到了滿意的信噪比。

　　PWM調(diào)制結(jié)構(gòu)簡單容易實現(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，這些頻率分量會產(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。使用三電平調(diào)制可以減少這些頻率分量的幅度。如要進(jìn)一步的減小這些頻率分量的幅度，可以通過抖頻技術(shù)實現(xiàn)。PT5306/26包含抖頻調(diào)制技術(shù)，通過在一定頻率范圍內(nèi)不斷變化載波頻率，將30MHz內(nèi)諧波頻率的能量均分到除音頻范圍外的整個頻帶中。通常，EMI需要考慮對空間的輻射和通過揚聲器及電源線的傳導(dǎo)。D類放大器調(diào)制方案決定了傳導(dǎo)和輻射EMI的基線譜。如果需要進(jìn)一步降低放大器的EMI，可以使用一些板級的設(shè)計方法。

　　D類放大器應(yīng)用時，應(yīng)當(dāng)注意電源端旁路儲能電容CS的選取。放大器工作時，對電源干擾嚴(yán)重。如果VDD端的旁路儲能電容選用不合理，放大器會通過干擾電源，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)其他部分工作不正常。最佳的方案是CS采用表面貼裝的鉭電解電容。如果成本和PCB布板尺寸限制不允許采用鉭電解電容，可以采用0805或0603封裝的貼片陶瓷電容，且電容值在4.7uF以上，可以有效的降低放大器工作時對電源的干擾。