發布日期：2022-07-14 點擊率：40
從家庭影院到有源音箱的高性能音頻設備設計師發現D類放大器由于節省空間而極具吸引力。遺憾的是,這些設計師對于D類放大器中所用的PWM開關放大器概念不夠熟悉,因為他們的經驗深深地根植于AB類放大器這樣的線性拓撲結構。
他們面臨的挑戰與功率晶體管的開關工作模式有關,這種模式要求徹底導通或徹底關斷。一個精心調整和良好保護的PWM開關電路能夠可靠地執行上述操作。但是一個具有小小錯誤或非理想參數的設計很容易導致原型的徹底失敗。當放大器自毀后,很難查清具體的原因。因此更正錯誤會為項目開發增加大量的時間和成本。
為了加快D類放大器的設計,國際整流器公司(IR)將四個主要的D類放大器構建模塊集成為一個單芯片解決方案(見圖1)。通過將誤差放大器、PWM比較器、柵極驅動級電路和過載保護功能結合到一起,IRS2092可以通過快速優化來提升終端產品的性能和靈活性。
具有噪聲隔離功能的誤差放大器
音頻放大器的主要指標是噪聲和總諧波失真(THD)。在D類放大器中,影響這些指標的因素包括有限的開關時間、過沖/欠沖以及電源波動。改善這些因素需要提高誤差放大器的性能。誤差放大器用于比較輸出音頻信號與輸入音頻信號,并根據比較結果校正輸出級電路中的這些缺陷。
D類放大器的噪聲環境所要求的特性與A類或A/B類設計中所要求的不一樣,因此要找到一個合適的運算放大器是一件復雜且耗時的過程。IRS2092中集成了一個優化的運算放大器,具有較高的噪聲抑制能力,帶寬為5MHz,在圖2所示的設計實例中實現了%的THD。
噪聲隔離
D類放大器拓撲結構要求前后端靠得很近。在分立實現方案中,設計師必須確定如何將對噪聲敏感的模擬輸入部分與大信號輸出級中的有害開關噪聲隔離開來。
圖1:IRS2092單芯片解決方案。
圖2:THD+N比與輸出功率的關系。
而在單芯片方案中,最艱巨的挑戰包括如何實現上述兩種電路之間足夠的電氣隔離。IRS2092采用了專有的半導體結隔離方法,確保了噪聲隔離指標。
PWM比較器和電平轉換
一旦誤差放大器對輸入音頻信號處理后輸出形狀與輸入信號成比例的信號,比較器就會將該模擬信號轉換成一個脈沖寬度調制(PWM)信號。
IRS2092的PWM比較器將模擬信號轉變成PWM信號時,傳播延遲很小,因此在優化反饋環路設計時具有較大的靈活度。
下一個挑戰是將PWM信號從安靜的誤差放大器電路輸送到噪聲較大的開關級電路。此時會有一個高電壓電平轉換器將數字信號轉換到一個不同的浮動電位上,因此不管兩邊的電壓差如何都能準確地傳送PWM信號,就像一個理想的差分放大器那樣。
柵極驅動和MOSFET開關級電路
柵極驅動級電路接收來自比較器、參考電平為地電平的PWM信號,并對該信號進行低電平轉換,形成分別以高端和低端MOSFET的源極為參考電平的柵極驅動信號。在柵極驅動級,在每個ON狀態之間插入一個死區時間,以防止在高端和低端MOSFET中同時出現ON狀態。
精確的門控制是獲得優質音頻性能的關鍵。柵極驅動器的脈沖寬度失真必須很小,應該在高端和低端柵極驅動級之間達到完全匹配。這兩項屬性都很關鍵,能將死區時間減到最小,從而改進放大器的線性度。
死區時間插入
死區時間插入是D類放大器的開關級電路設計中最為關鍵的部分。通過調整MOSFET有限的開關轉換時間,死區時間可以防止沖擊直通,從而確保放大器的安全工作。但是,這也會產生非線性,從而導致意外失真。設計師常常不得不在THD性能和安全余量之間采取折中。
IRS2092內置了死區時間控制,設計師可以根據所選的MOSFET來選擇死區時間寬度。相對于外部死區時間控制設計,集成式死區時間插入的寬度是有保證的,設計師無需估計最壞情況。
過載保護
由于MOSFET的功率耗散正比于負載電流的平方,保護電路通常監控負載電流來防止MOSFET在過流情況下失效。通常采用一個外部分流電阻來檢測負載電流,但電阻選擇和噪聲濾波等因素非常關鍵,可能會增加整個設計的開發時間、成本和物理尺寸。
保護電路還要求支持對功率級中關鍵電流環路路徑中的雜散電感所引起的額外開關噪聲進行補償校正。
在集成式構建模塊芯片中,內置過載保護取決于MOSFET的通態電阻。集成式電路監控輸出電流,當超過預設門限時將切斷PWM。另外,MOSFET通態電阻較大的正溫度系數隨著結溫的升高會降低過流門限,從而增強了放大器的安全性。
結論:即插即用型可升級的D類放大器
通過上述四個關鍵功能的集成,IRS2092提供了一個即插即用型D類放大器解決方案,它已經實現了非常重要的受保護的PWM開關級電路。它的高集成度解決了許多設計挑戰,而且還具有很大的靈活性,允許工程師定制某些功能來滿足特定的設計需求。
調整放大器使其提供不同的輸出功率電平或者實現不同數量的通道同樣非常容易,只需選擇合適的外部MOSFET對,并相應調整死區時間以及過載保護門限。外部MOSFET還能讓工程師優化EMI和效率來滿足應用要求。
最后,完備的可升級能力還允許在多個產品中共享一個公共基礎設計,并且IRS2092將隨著終端產品的發展而不斷縮減其成本和上市時間。
作者:Jun Honda
D類音頻放大器部高級工程師
國際整流器公司
