170W、D類音頻功率放大器LM4651/LM4652
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摘要：LM4651/LM4652是美國國家半導(dǎo)體公司推出的新型集成電路芯片，利用LM4651驅(qū)動器與LM4652功率MOSFET兩片IC可直接組成高效D類超低音功率放大器。文中介紹了LM4651/LM4652的特點、功能的原理，并重點介紹了由LM4651/LM4652組成的典型應(yīng)用電路。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/245686.htm關(guān)鍵詞：超低音 D類功率放大器 LM4651/LM4652
利用美國國家半導(dǎo)體公司（NSC）推出的LM4651/LM4652 Overture TM最新IC和很少的外部元件，
即可組成170W高效D類音頻功率放大器。LM4651的PWM驅(qū)動器與LM4652半橋（H-bridge）功率MOSFET IC所構(gòu)成的這種簡單緊湊的D類超低音（Subwoofer）放大器完全解決了通常僅在AB類放大器中才能看到的保護問題，但效率比AB類放大器有較大提高，而散熱器尺寸則比功率電平相同的AB類放大器有所減小，LM4651與LM4652被應(yīng)用在家庭影院和PC自動（Powered）超低音放大器、汽車音響增強（booster）放大器和自供是（self-powered）揚聲器等方面，會取得令人滿意的效果。
1 引腳功能
LM4651采用28腳塑料封裝，圖1（a）為LM4651封裝頂視圖。LM4652采用15腳TO-220塑料封裝，分為隔離和非隔離兩種形式。其中，采用隔離型的LM4652TF引腳排列如圖1（b）所示。
LM4651是一種PWM控制/驅(qū)動器IC，內(nèi)置振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、反饋測量放大器、數(shù)字邏輯與保護電路及驅(qū)動器等，表1列出了LM4651的引腳功能。LM4652的引腳功能說明如表2所列。
表1 LM4651的引腳功能
| 腳號 | 引腳符號 | 功 能 描 述 |
| 1 | OUT1 | 輸出到功率MOSFET柵極驅(qū)動電路的基準(zhǔn)腳 |
| 1，27 | BS1,BS2 | 為驅(qū)動上面的柵極HG1、HG2提供額外偏置的自舉腳 |
| 3 | HG1 | 半橋中#1高端柵極驅(qū)動輸出 |
| 4 | HG2 | 半橋中#2高端柵極驅(qū)動輸出 |
| 5，15 | GND | 模擬地 |
| 6 | +6VBYP | 模擬電路內(nèi)部調(diào)節(jié)正電壓輸出，該腳僅用作內(nèi)部調(diào)整器旁路 |
| 7 | +Vcc | IC正電源電壓輸入 |
| 8 | -6VBYP | 模擬電路內(nèi)部調(diào)節(jié)負電壓輸出，該腳僅用作內(nèi)部調(diào)整器旁路 |
| 9 | FBKVo | 反饋測量放大器輸出腳 |
| 10 | ERRIN | 誤差放大器反相輸入腳。該腳上的輸入音頻信號與反饋信號相加 |
| 11 | ERRVo | 誤差放大器輸出腳 |
| 12 | TSD | 熱關(guān)閉輸入腳，連接LM4652的熱關(guān)閉輸出 |
| 13 | STBY | 待機功能輸入腳 |
| 14 | FBK1 | 反饋測量放大器，該腳必須連接到來自VO1（LM4652腳15）的反饋濾波器 |
| 16 | OSC | 開關(guān)頻率振蕩腳，調(diào)節(jié)電阻從15.5kΩ到0Ω變化，開關(guān)頻率從75kHz到225kHz變化 |
| 17 | Delay | 延遲時間調(diào)整腳 |
| 18 | SCKT | 短路設(shè)定腳，最小設(shè)定值是10A |
| 19 | FBK2 | 反饋測量放大器腳，該腳必須連接到來知VO2（LM4652的腳7）的反饋濾波器 |
| 20，21 | -VDDBYP | 供數(shù)字單元電路使用的調(diào)整器輸出，該腳僅作旁路用 |
| 22，23 | -VEE | IC負電源電壓 |
| 24 | START | 啟動電容輸入腳?？烧{(diào)節(jié)調(diào)制器的診斷時序啟動時間 |
| 25 | LG1 | 半橋中#1低端柵極驅(qū)動器輸出 |
| 26 | LG2 | 半橋中#2低端柵極驅(qū)動器輸出 |
| 28 | OUT2 | 輸出到功率MOSFET柵極驅(qū)動器電路的基準(zhǔn)腳 |
表2 LM4652的引腳功能
| 腳 號 | 引腳符號 | 功 能 描 述 |
| 1 | GND | 地端 |
| 2 | LG1 | 半橋低端（#1）MOSFET柵極驅(qū)動輸入 |
| 3 | VEE | 功率MOSFET半橋負電源電壓 |
| 4 | TSD | 熱關(guān)閉識別腳。當(dāng)芯片超過150℃時，該腳過渡到6V |
| 5 | NC | 未連接 |
| 6 | LG2 | 半橋低端（#2）MOSFET柵極驅(qū)動輸入 |
| 7 | Vo2 | 半橋-端開關(guān)輸出腳 |
| 8 | NC | 未連接 |
| 9 | NC | 未連接 |
| 10 | HG2 | 半橋高端（#2）MOSFET柵極驅(qū)動輸入 |
| 11 | NC | 未連接 |
| 12 | NC | 未連接 |
| 13 | Vcc | 功率MOSFET半橋正電源電壓 |
| 14 | HG1 | 半橋高端（#1）MOSFET柵極驅(qū)動輸入 |
| 15 | VO1 | 半橋-端開輸出腳 |
2 主要參數(shù)及特點
2.1 主要參數(shù)
a.極限參數(shù)
LM4651/LM4652的最高電源電壓為±22V，其功耗分別為1.5W和32W，最高結(jié)溫為150℃，工作溫度范圍為-40～+85℃。LM4652的最大輸出電流為10A。
b.電氣特性
LM4651的總靜態(tài)電流（在LM4652不連接時的典型值）為36mA，待機狀態(tài)時的輸入電壓（典型值）為2V，開關(guān)頻率范圍（在Rosc從15kΩ變?yōu)?Ω時）為65～200kHz，死區(qū)時間為27ns，調(diào)制保護時間（典型值）為310ns。
LM4652中MOSFET的漏-源極擊穿電壓為55V，通太電阻（典型值）的0.2Ω，最大漏極電流（ID）為10A，柵極門限電壓（典型值）為0.85V。
LM4651/LM4652的主要技術(shù)參數(shù)為：
●總揩波失真（THD）（在10W、4Ω和10～500Hz下）≤0.3%；
●輸出功率（4Ω、75kHz、10%THD時）為170W；
●最大效率（在125W和1%THD下）為85%；
●待機狀態(tài)衰減>100dB。
2.2 主要特點
LM4651/LM4652的主要特點如下：
●具有常規(guī)的脈沖寬度調(diào)制（LM46451）；
●開關(guān)頻率外部可控，范圍為75～200kHz；
●內(nèi)含集成誤差放大器和反饋放大器；
●可導(dǎo)通軟啟動和欠電壓閉鎖；
●具有過調(diào)制保護（軟削波）功能；
●可進行短路電流限制和熱關(guān)閉保護；
●具有自檢查保護診斷功能。
3 原理和應(yīng)用電路
圖2為LM4651與LM4652的典型應(yīng)用及測試電路。該電路有助于人們了解兩芯片尤其是LM2651的功能和原理。
3.1 系統(tǒng)功能簡述
LM4651是常規(guī)脈沖寬度調(diào)制器/驅(qū)動器IC。圖3所示為輸入音頻信號與頻率遠高于音頻信號的三角波信號的比較波形。比較器產(chǎn)生一個占空比與音頻信號電平成正比的矩形波電壓，以驅(qū)動LM4652半橋電路中的功率MOSFET，然后將功率MOSFET的脈沖序列（frain）通過LC低通濾波器在濾除高頻后施加到揚聲器。
3.2 待機（Standby）功能
LM4651的CMOS兼容性允許通過關(guān)閉脈沖寬度波形去關(guān)斷所有功率MOSFET。由于待機狀態(tài)關(guān)閉了脈沖寬度波形，其音東衰減大于120dB,因 而EMI被限制到最小限度，當(dāng)腳13不邏輯“1”功5V時，待機功能有效；腳13為邏輯“0”或0V時，待機無效，允許利用輸入信號調(diào)制。
3.3 啟動程序和定時
LM4651具有內(nèi)部軟啟動功能，該軟啟動功能可保證系統(tǒng)的可靠和協(xié)調(diào)啟動，從而使導(dǎo)通喇叭聲（thump）或彭彭聲（pop）減到最小。在啟動周期內(nèi)，系統(tǒng)保持待機模式。啟動時間的調(diào)節(jié)可通過連接到START腳的電容（CSTSRT）來控制。
3.4 電流限制和短路保護
連接在SCKT腳與GND之間電阻RSCKT用來決定最大輸出電流。一旦輸出電流高于設(shè)定限制，短路保護將關(guān)斷所有功率MOSFET
電流限制最小設(shè)備在10A，但調(diào)節(jié)RSCKT數(shù)值可以適當(dāng)使電流增大，在輸出端短路或場聲器失效（出現(xiàn)短路）的情況下，IC將執(zhí)行安全保護功能。
3.5 死區(qū)時間設(shè)定
LM4651上的DELAY腳可用來設(shè)定系統(tǒng)死區(qū)時間。所謂死區(qū)時間是指LM4652中一對MOSFET在另一對MOSFET導(dǎo)通前被關(guān)斷的時間間隔。增加死區(qū)時間將減小貫通（Shoot through）電流，但同時也會增大THD。隨著所希望的工作帶的增加，死區(qū)時間應(yīng)當(dāng)減小。調(diào)節(jié)電阻RDLY，可改變死區(qū)時間，關(guān)系如下：
TDLY=1.7×10 12(500+RDLY)
通常RDLY的推薦值為5kΩ。TDLY的單位為秒。
3.6 過調(diào)制保護
圖4為過調(diào)制保護工作波形。當(dāng)輸入信號幅值高于內(nèi)部三角波時，過調(diào)制條件發(fā)生，如果缺少過調(diào)制，將導(dǎo)致功率MOSFET永久性毀壞。在正統(tǒng)波頂部，過調(diào)制保護還提供一個軟削波（soft clip）型響應(yīng)。對于給定的相同的電壓和負載，這種限幅將使輸出功率降低。
3.7 反饋放大器和濾波器
反饋放大器用來進行差動取樣輸出信號并為誤差放大器提供一個單端反饋信號，反饋信號直接取自LC濾波器之前的開關(guān)輸出，從而避免了輸出濾波器引起的相移。來源于橋式輸出的差動信號經(jīng)單極點或雙極點的RC濾波器進入到作為反饋放大器使用的高輸入阻抗測量放大。反饋測量放大器的內(nèi)部固定增益為1。
3.8 誤差放大器
音頻輸入信號與來自輸出的反饋信號在誤差放大器上相加。放大器增益由外部電阻RF和R1決定。并聯(lián)反饋電容CF和電阻RF組成低通濾器，可用于限制輸入音頻信號和反饋信號的頻率含量。
3.9 外部元件功能說明
對于圖2所示的應(yīng)用電路，LM4651/LM4652外部主要元件的功能說明如表3所列。
表3 外部元件功能說明
| 元 件 | 功 能 |
| R1，R2 | 輸入電阻，與RF一起定系統(tǒng)增益：Gain=[(RF/R1)(Vcc/1.75V)]/{1+[(RF/R1)(RF/R2)(RFL2/(RFL1+RFL2))(Vcc/T)]} |
| RF，CF | RF與 CF形成低駝江波器，設(shè)定誤差放大器增益和帶寬，fc=1/(2πRFCF）（H2）上為3dB極點 |
| RFL1 | RFL1與RFL2提供反饋信號衰減。RFL1應(yīng)為10RFL2，同見R1、R2注釋。 |
| RFL2，CFL1 | RFL2與CFL1產(chǎn)生一個低通濾波器，極點頻率fc=1/2πRFL3CFL2) |
| CFL2 | 用于反饋通路中的低通濾波器，以在fc=1/(2πRFL3CFL2）上建立第二個極點 |
| L1,C1 | L1與C1為輸出提供兩極點低通濾波器，fc=1/[2π(L1C1) (1/2)] |
| Cbyp | 并接于揚聲器兩端，用作濾除噪聲和高頻諧波 |
| CB1～CB4 | Vcc、VEE、模擬與數(shù)字電壓（VDD、+6V、-6V）旁路電容 |
| BBT | 自舉電容 |
| RDLY | 設(shè)定死區(qū)時間 |
| CSTART | 用于控制啟動時間；TSTART=(8.5×10 4）CSTART（s) |
| RSCKT | 設(shè)定輸出短路電流：ISCKT=(1×10 5）/（10kΩ‖RSCKT)(A) |
| ROSC | 控制開關(guān)頻率：fsw=(1×10 9)/(4000+Rosc)(Hz) |
| D1 | 肖特基二術(shù)管，用作保護輸出MOSFET |
| CSBY1～CSBY3 | 電源退耦電容 |
4 其它
為進一步提高D類音頻放大器的性能，可以采用LM833來設(shè)計帶2階代通濾波器并使其增益為10（20dB）的簡單輸入級電路，如圖5所示。在超低音應(yīng)用中，低通濾波器的極點頻率通常設(shè)定在60～180Hz。
需要說明的是：用LM4651/LM4652組成的D類放大器的PCB板宜采用雙面印刷電路板。
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