高性能4通道D類(lèi)音頻放大器設(shè)計(jì)

與低側(cè)電流傳感不同，CSH管腳的臨界值內(nèi)部固定在1.2V。但可利用外部電阻分壓器R2和R3來(lái)設(shè)定一個(gè)較高的臨界值。不論采用哪種方式，都要用外部阻流二極管D1去阻斷高電壓在高側(cè)斷路的情況下流向CSH管腳。基于跨越D1的0.6V正向電壓降，高側(cè)過(guò)流保護(hù)的最低臨界值是0.6V。

簡(jiǎn)而言之，CSH管腳的臨界值VCSH可以用以下算式計(jì)算：

式中的ID是漏電流，而VF(D1)則是D1的正向壓降。此外，逆向阻流二極管D1經(jīng)由一個(gè)10kΩ電阻R1進(jìn)行正向偏置。

為防止直通或過(guò)沖電流通過(guò)兩個(gè)MOSFET，我們將一個(gè)名為死區(qū)時(shí)間的阻流時(shí)段插在高側(cè)關(guān)斷和低側(cè)開(kāi)通，或低側(cè)關(guān)斷和高側(cè)開(kāi)通之間。集成式驅(qū)動(dòng)器讓設(shè)計(jì)師可以根據(jù)所選MOSFET的尺寸從一系列預(yù)設(shè)值中選擇適合的死區(qū)間來(lái)優(yōu)化性能。事實(shí)上，只需兩個(gè)外部電阻來(lái)通過(guò)IRS2093的DT管腳設(shè)定死區(qū)時(shí)間。這樣便不需要采用外部的柵極定時(shí)調(diào)節(jié)，同時(shí)也能防止調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)定時(shí)引入的外來(lái)噪聲，這對(duì)確保音效性能非常重要。

用戶(hù)在決定最佳死區(qū)時(shí)間時(shí)，必須考慮MOSFET的下降時(shí)間。這是因?yàn)閷?duì)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，由于開(kāi)關(guān)的下降時(shí)間tf的關(guān)系，真正有效的死區(qū)時(shí)間與數(shù)據(jù)資料所提供的會(huì)有所不同。這意味著，要確定有效的死區(qū)時(shí)間，就要以數(shù)據(jù)資料中的死區(qū)時(shí)間值減去MOSFET柵極電壓的下降時(shí)間。

同樣地，在UVLO保護(hù)方面，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在正常運(yùn)作開(kāi)始之前監(jiān)測(cè)電壓VAA和VCC的狀態(tài)，以確保兩個(gè)電壓都高于它們各自的臨界值。如果VAA或者VCC低于UVLO臨界值，IRS2093的保護(hù)邏輯便會(huì)關(guān)閉LO和HO。結(jié)果，功率MOSFET將停止運(yùn)作直至VAA和VCC超過(guò)它們的UVLO臨界值。

此外，為了達(dá)到最理想的音效，4通道音頻電路板設(shè)計(jì)把模擬和開(kāi)關(guān)部分之間的線路阻抗和相互耦合降到最低，并確保模擬信號(hào)與開(kāi)關(guān)級(jí)和電源接地分開(kāi)。

測(cè)量的性能

我們?cè)谡倚盘?hào)頻率為1kHz、1Vrms及4Ω負(fù)載阻抗的情況下，測(cè)量每個(gè)通道的效率、總諧波失真加噪聲(THD+N)和EMI性能。另外，我們?yōu)橛蓤D2展示的4通道D類(lèi)音效放大器設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)量，顯示其一流的隔離和串音性能。相關(guān)電路版的電源電壓有±35V，自振頻率則為400kHz。

如圖3所示，在4Ω負(fù)載、功率輸出為低于50W至120W的情況下，每通道的效率約為90%。對(duì)高通道效率作出貢獻(xiàn)的主要因素包括產(chǎn)生低通態(tài)和開(kāi)關(guān)耗損的DirectFET MOSFET IRF6665。同時(shí)，因?yàn)榧墒津?qū)動(dòng)器提供了安全死區(qū)時(shí)間，所以設(shè)計(jì)沒(méi)有出現(xiàn)交叉導(dǎo)通。

圖3：在4Ω負(fù)載下，功率輸出從低于50W輸出提高到120W，測(cè)量的效率曲線顯示每條通道的效率約為90%。

如此高的功效使這款4通道設(shè)計(jì)能夠處理八分之一的持續(xù)額定功率，也就是一般安全所需的正常工作環(huán)境，而無(wú)需使用任何額外的散熱片或強(qiáng)制空氣冷卻。

同樣地，針對(duì)失真進(jìn)行的測(cè)試顯示，在廣泛的輸出功率范圍內(nèi)，每條通道的THD+N性能都是一樣的。如圖4所示，當(dāng)每條通道低于50W時(shí)THD+N便會(huì)小于0.01%，并會(huì)隨著輸出功率上升而增加。例如，當(dāng)每條通道的輸出為100W左右，失真程度便會(huì)上升到0.02%。這種性能在整個(gè)20Hz到20kHz的音頻范圍內(nèi)都會(huì)保持一致，即使輸出功率由每通道10W增加到50W(4Ω負(fù)載下)也不會(huì)改變。如圖5所示，每個(gè)通道的基噪在整個(gè)音頻范圍內(nèi)都維持在-80dBv以下。噪聲是在無(wú)信號(hào)輸入和400kHz的自振頻率下測(cè)量。

圖4：當(dāng)每個(gè)通道低于50W時(shí)，總諧波失真加噪聲(THD+N)便會(huì)少于0.01%，并會(huì)隨著輸出功率上升而開(kāi)始增加。

為通道隔離進(jìn)行的類(lèi)似測(cè)試表明，在每條通道的輸出功率為60W的情況下，通道1和3，以及通道1和4之間的串音在整個(gè)音頻范圍內(nèi)都優(yōu)于-70dB。

同時(shí)，該設(shè)計(jì)在1kHz信號(hào)頻率下提供-68dB的良好電源抑制比(PSRR)。高PSRR源自驅(qū)動(dòng)器的自振頻率。從而使得4通道D類(lèi)放大器即使使用非穩(wěn)壓電源，也能夠提供卓越的性能。

圖5：當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，每條通道的基噪在整個(gè)音頻范圍內(nèi)都保持低于-80dBv。

本文小結(jié)

采用IRS2093M集成式驅(qū)動(dòng)器的4通道D類(lèi)音頻放大器解決方案，其效率、THD+N和EMI性能都可與單通道設(shè)計(jì)匹敵。此外，在整個(gè)可聽(tīng)范圍內(nèi)，基噪維持在-80dBv以下。同時(shí)，通道之間擁有出色的隔離來(lái)保持互調(diào)失真(IMD)處于最低水平，以提供理想的音效性能。隨著高效率免除了對(duì)散熱片的需要，集成式音頻驅(qū)動(dòng)器成功以減少一半的占位面積實(shí)現(xiàn)了4通道D類(lèi)音頻放大器解決方案。

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