ot;display: block;">目前隨著便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品(手機(jī)、MP3、便攜式GPS等等)的日益流行,人們對(duì)電池工作時(shí)間的要求也越來越高。這樣以效率高,失真小為特點(diǎn)的D類放大器就開始廣泛地應(yīng)用于這些產(chǎn)品當(dāng)中。對(duì)于小功率音頻產(chǎn)品,如手機(jī)、MP3、MP4等,使用D類放大器可以延長(zhǎng)電池的使用壽命;對(duì)于大功率音頻產(chǎn)品,如多媒體音箱、功放等,使用D類放大器可以省去散熱片和使用小規(guī)格的變壓器,在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)也降低了產(chǎn)品的總體成本。

一向以創(chuàng)新而著稱的埃派克森微電子(Apexone)涉足D類放大器市場(chǎng)后,先后推出了兩款代表產(chǎn)品——A7003和A7013。A7003是雙通道12W D類放大器,而A7013是單通道 D類放大器。這兩款D類放大器相對(duì)其他同類產(chǎn)品,由于其獨(dú)特的架構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì),性能上有了很大的提升。

埃派克森D類放大器的工作原理

與傳統(tǒng)的AB類不同的是,D類音頻放大器不是利用功率晶體管的線性工作區(qū)特性來放大音頻信號(hào),而是利用電壓比較、脈寬調(diào)制等技術(shù)來放大音頻信號(hào),故有人也稱D類放大器叫做數(shù)字功率放大器。

D類放大器將音頻輸入信號(hào)同高頻率的三角波(或鋸齒波)信號(hào)進(jìn)行電壓比較,將音頻信號(hào)的振幅調(diào)制成脈沖寬度,即脈寬調(diào)制(PWM),之后將PWM信號(hào)輸出到CMOS晶體管的柵極,用以控制CMOS晶體管的導(dǎo)通和關(guān)閉,同時(shí)也在這個(gè)階段對(duì)輸出脈沖的功率進(jìn)行放大, 最后將CMOS晶體管的輸出信號(hào)連接到LC低通濾波器,將高頻的PWM信號(hào)濾掉,從而還原放大后的音頻信號(hào)。理論上D類放大器的效率是100%。

不同于其它公司的D類放大器, 埃派克森的A7003采用兩極負(fù)反饋,即除了芯片內(nèi)部輸出級(jí)負(fù)反饋以外,在外圍濾波器輸出處又增加了一級(jí)負(fù)反饋到芯片內(nèi)部,組成一個(gè)雙閉環(huán)電路(如圖1所示),這樣做雖然增加了芯片設(shè)計(jì)難度,但卻大大降低了因外圍元器件的非線形而造成的失真。A7003的THD+N在1W輸出時(shí)達(dá)到%,遠(yuǎn)低于同類產(chǎn)品。

PWM載波頻率的選擇一般選擇10倍以上的最大音頻信號(hào)。一般人耳可識(shí)別的音頻范圍是20Hz-20kHz,因此,載波頻率一般在200kHz以上。當(dāng)CMOS晶體管以載波頻率快速導(dǎo)通關(guān)斷時(shí),可能導(dǎo)致上下橋臂的CMOS晶體管直接導(dǎo)通,產(chǎn)生較大的沖擊電流,影響芯片的溫度,甚至燒壞芯片。為了避免這樣的情況發(fā)生,一般采用在導(dǎo)通時(shí)序上增加死區(qū)時(shí)間來規(guī)避,在上橋臂關(guān)閉后,隔一段時(shí)間后才打開下橋臂,如圖3。

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圖1:埃派克森D類放大器工作原理框架圖。    

圖2:脈寬調(diào)制的原理圖。    

圖3:輸出控制時(shí)序的死區(qū)時(shí)間。    

上述PWM的控制方法在沒有音頻信號(hào)輸入的時(shí)候,會(huì)輸出占空比為50%,相位相差180度的脈沖信號(hào),設(shè)計(jì)不好會(huì)導(dǎo)致輸出級(jí)產(chǎn)生直流偏置電壓,不僅增加了輸出級(jí)的功率損耗,同時(shí)還會(huì)影響喇叭的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了解決這個(gè)問題,埃派克森D類放大器采用相位相同的PWM輸出波形,在無輸入信號(hào)的情況下,輸出級(jí)輸出50%占空比、相位相同的PWM,如圖4所示。當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí),輸出級(jí)一端占空比增加,而另一端占空比減少。通過輸出PWM信號(hào)占空比的不斷變化,在負(fù)載上產(chǎn)生不同的電壓,如圖5所示。

圖4:無輸入信號(hào)時(shí)PWM波形。      

圖5:有輸入信號(hào)時(shí)PWM波形 。      

埃派克森D類放大器的高效率

D類放大器的效率理論上可以達(dá)到100%,但實(shí)際上由于CMOS晶體管不是理想的開關(guān),導(dǎo)通時(shí)的阻抗并不為0,因此輸出級(jí)的等效電路圖如圖6。

圖6:輸出級(jí)的等效電路圖。    

那么,效率的計(jì)算公式應(yīng)該是:.
假設(shè)CMOS晶體管導(dǎo)通電阻是0.3Ω,那么如果輸出接4Ω的喇叭,其效率大概在87%左右；如果輸出接8Ω的喇叭,其效率為93%。當(dāng)然,除了導(dǎo)通電阻的損耗以外,還有前面提到的開關(guān)損耗,以及偏置電流損耗,輸入電容充電損耗等等,所以一般的D類放大器在8Ω負(fù)載時(shí)效率為85%左右。但即便是這樣,D類放大器的效率仍要比目前市場(chǎng)上廣泛采用的AB類放大器效率高很多。

正因?yàn)槠涓咝?對(duì)于要求輸出10W功率的時(shí)候,D類放大器只需要電源提供12W左右的功率,而AB類則需要電源提供20W左右的功率。這樣選用D類放大器就可以選擇相對(duì)較小的電源。同時(shí),由于D類放大器的高效率,只有小部分的功率轉(zhuǎn)換為熱損耗,這樣可以適當(dāng)減少散熱片的尺寸,甚至不用散熱片。

圖7:D類放大器與AB類放大器的效率比較。    

圖8 :A7013EMI測(cè)試結(jié)果。    

圖9:埃派克森的 架構(gòu)。      

埃派克森的A7003在設(shè)計(jì)時(shí)將晶體管導(dǎo)通電阻進(jìn)一步降低,提高了效率,在雙通道12W滿功率持續(xù)工作時(shí)都無需散熱片。

高效率對(duì)延長(zhǎng)那些利用電池供電的便攜設(shè)備(手機(jī)、MP4等)的待機(jī)時(shí)間具有重要意義,埃派克森的A7013在接8Ω喇叭的情況下,可以達(dá)到92%的效率。在實(shí)際應(yīng)用中,與相同功率級(jí)別的主流AB類放大器4990相比,在同等條件下,經(jīng)測(cè)試A7013可以比4990延長(zhǎng)41%的工作時(shí)間。

埃派克森D的放大器的EMI設(shè)計(jì)

由于D類放大器的載波頻率較高,處理不當(dāng)?shù)脑?會(huì)產(chǎn)生大量的高頻諧波分量,甚至干擾其他設(shè)備的正常工作。尤其對(duì)帶AM收音功能的設(shè)備,由于收音機(jī)的AM頻段是525K到1600KHz之間,D類放大器的載波頻率和它很接近,因此可能導(dǎo)致AM頻段無法收音或有雜音干擾。

另外,對(duì)于小功率的D類放大器,大部分都采用了無濾波器設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)省去了輸出級(jí)的濾波電感,利用喇叭本身的電感做濾波回路。這樣做雖然降低了產(chǎn)品的總體成本,但喇叭引線會(huì)引起EMI輻射。

埃派克森的A7013由于其采用了擁有自主專利EFS架構(gòu),優(yōu)化了前級(jí)比較電路,同時(shí)比一般Class D架構(gòu)多一級(jí)反饋電路,它對(duì)外界的EMI干擾非常小,在實(shí)際應(yīng)用中無需磁珠和其他特別設(shè)計(jì),可以富有余量地通過FCC的EMI標(biāo)準(zhǔn)。

除此而外,EFS架構(gòu)還提升了芯片的整體性能,減少了失真,使得PSRR和CMRR達(dá)到了81dB和82dB。詳情可見表1的A7013與市場(chǎng)主要產(chǎn)品性能比較表。

正因?yàn)镈類放大器的高效率,小尺寸的特點(diǎn),D類放大器正在逐步取代傳統(tǒng)的線性放大器,廣泛的應(yīng)用到手機(jī),LCD TV等領(lǐng)域。

表1.埃派克森A7013與主要同類產(chǎn)品性能比較  

郭輝

埃派克森微電子公司