基于NBDD的高效數(shù)字音頻功率放大器設(shè)計

摘要：數(shù)字音頻功率放大器具有體積小、重量輕、可靠性高的特點，但其并非工作在理想狀態(tài)下。為進(jìn)一步提高數(shù)字功放的效率，通過將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)脈寬調(diào)制技術(shù)引入數(shù)字功放的脈寬調(diào)制設(shè)計，并將Dead-Time技術(shù)引入開關(guān)放大器的設(shè)計中，提出了高效數(shù)字音頻功率放大器的優(yōu)化設(shè)計方案，從而提高了整機(jī)的失真度指標(biāo)，降低了低通濾波器設(shè)計階數(shù)、改善了信噪比。
關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻功率放大器；NBDD；Dead-Time；開關(guān)放大器

0 引言
    近年來，隨著數(shù)字化優(yōu)勢的體現(xiàn)，很多尚未數(shù)字化的領(lǐng)域正在逐步加入到數(shù)字化的行列中來。數(shù)字化處理后的語音信號在到達(dá)模擬功率放大器之前，必須進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，以便被功率放大器放大，因此從完全數(shù)字化的進(jìn)程看，功率放大器數(shù)字化模式勢在必行。
    功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為5類：即A類、AB類、B類、C類和D類。其中，前4類均可直接采用模擬音頻信號直接輸入，放大后將此信號用以推動揚(yáng)聲器發(fā)聲。D類放大器比較特殊，它只有通和斷兩種狀態(tài)，因此它不能直接輸入模擬音頻信號，而是需要將信號進(jìn)行某種變換后再放大。
    數(shù)字音頻功率放大技術(shù)就是采用了全新的放大體制，功放管工作于D類開關(guān)狀態(tài)，與傳統(tǒng)模擬功放相比，具有體積小、功率大，與數(shù)字音源無縫結(jié)合、能有效降低信號間的傳遞干擾、實現(xiàn)高保真等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。
    本文提出了高效數(shù)字功率放大器的優(yōu)化設(shè)計方案，將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)脈寬調(diào)制技術(shù)引入數(shù)字功放的脈寬調(diào)制設(shè)計中，降低了低通濾波器設(shè)計階數(shù)、改善了信噪比；通過將Dead-Time(死區(qū)時間)技術(shù)引入開關(guān)放大器的設(shè)計中，減小了開關(guān)放大器的串通損耗和漏源電容損耗。

1 優(yōu)化方案實現(xiàn)原理
    此方案采用的是兩個獨立的通道，可單獨、同時完成信號的數(shù)字處理和功率放大，并可橋接成一個通道進(jìn)行信號的數(shù)字處理和功率放大。每個通道工作在半橋工作模式下，又可橋接成全橋工作模式進(jìn)行工作。其實現(xiàn)原理如圖1所示。

    輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大，同時進(jìn)行低通濾波。低通濾波器采用的是二階Butterworth低通濾波器，截止頻率為37 kHz，3 dB帶寬為22 kHz。濾波過后的信號與反饋回來的音頻信號一起送到誤差放大器進(jìn)行誤差放大，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調(diào)制器，進(jìn)行NBDD調(diào)制產(chǎn)生PWM信號。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線性度的模擬三角波信號，頻率為230～280 kHz可調(diào)。PWM信號插入Dead-Time后送到浮動電源和自舉相結(jié)合的驅(qū)動器進(jìn)行預(yù)放大，放大了的PWM信號驅(qū)動由場效應(yīng)管組成的半橋開關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，輸出功率PWM信號。經(jīng)開關(guān)放大器放大的PWM信號被采樣作為反饋信號送到誤差放大器。功率PWM信號送到低通濾波器還原出模擬音頻信號。當(dāng)需要橋接單通道輸出時，只需在兩半橋輸入端送入等幅反相的音頻信號，并將負(fù)載接于兩半橋輸出端即可。為了增加模塊的可靠性，設(shè)計時同時考慮了各種誤操作對模塊造成的損壞，并提供了故障指示功能，幫助整機(jī)及時準(zhǔn)確查找問題，便于模塊進(jìn)行維修。

2 NBDD調(diào)制技術(shù)的實現(xiàn)
    NBDD調(diào)制技術(shù)的具體實現(xiàn)如圖2所示。

    輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大，再與反饋回來的音頻信號一起送到誤差放大器，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調(diào)制器，進(jìn)行NBDD調(diào)制。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線性度的模擬三角波信號,頻率為230～280 kHz。
    此處的重點在于實現(xiàn)高線性度的三角波發(fā)生器和高速比較器。三角波的非線性會直接影響PWM調(diào)制器的線性度，整機(jī)的失真度；為了能良好的還原音頻，PWM開關(guān)頻率不能低于200 kHz，因此需要采用高速比較器。調(diào)制方式不僅影響到音頻帶內(nèi)的性能指標(biāo)，而且對放大器系統(tǒng)的高頻輻射性能(EMC)有著決定性的影響。因此從音頻輸入至脈寬編碼完成鏈路上，所采用的音頻放大器、誤差放大器應(yīng)具備高的輸入阻抗、低的工作電流、寬的增益帶寬、快的上升速度、良好的共模抑制比、低的漂移電壓等技術(shù)指標(biāo)；比較器應(yīng)具備響應(yīng)速度快、功耗低、輸入偏移電壓小等特點。

3 引入Dead-Time的開關(guān)放大器優(yōu)化設(shè)計
    開關(guān)放大器的主要特點就是高效，因此其優(yōu)化設(shè)計主要應(yīng)體現(xiàn)在進(jìn)一步減小各類損耗，真正體現(xiàn)其高效率的特點。
    通過串通損耗產(chǎn)生的原理，可以在柵極驅(qū)動電壓上想辦法，在上管完全截止后再讓下管開始導(dǎo)通，在下管完全截止后再讓上管開始導(dǎo)通，這樣就可以減小串通損耗，同時又可以減小結(jié)電容Cds損耗。這種為了解決串通損耗而在兩驅(qū)動信號之間按“延遲導(dǎo)通，正常截止”的原則，加入的時間稱為Dead-Time(死區(qū)時間)，原理詳見圖3。圖中分析的是工作在一個開關(guān)臂上的兩個N溝場效應(yīng)管。

4 各項指標(biāo)測試
    指標(biāo)測試主要采用的是國際上通用的音頻專用測試儀Audio Precision System One。Audio Precision System One是由全球最大的音頻測試儀器制造商美國Audio Precision公司制造。
    電源經(jīng)電流表送到被測樣機(jī)的電源插座上；電源輸出的正、負(fù)端間并聯(lián)電壓表，電壓表和電流表分別用于測試電源輸出的電壓和電流，從而可以計算出電源輸出功率。被測樣機(jī)的音頻輸入端接音頻測試儀的音頻輸出端，功率音頻輸出端分別連接音頻測試儀和標(biāo)準(zhǔn)功率電阻，被測樣機(jī)輸出的功率信號送到標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載上，同時送到音頻測試儀上進(jìn)行分析測試。由計算機(jī)控制選擇音頻測試儀Audio Precision System One的輸出信號頻率、幅度等特性，并選擇需要測試的指標(biāo)，同時將測試結(jié)果顯示到計算機(jī)上。
4．1 功能指標(biāo)測試
    將模塊按正常情況進(jìn)行連接。如無特殊要求音頻輸入頻率為1 kHz的正弦波，電源電壓為±120 V。測試插座XSZ的8腳，如為高電平(+SV)則表示模塊處于保護(hù)狀態(tài)，音頻輸出腳無信號輸出；如為低電平(OV)則表示模塊處于正常工作狀態(tài)，音頻輸出腳有信號輸出。
    測試項目及測試情況分別為：
    (1)靜音控制：輸入靜音信號，音頻輸出腳無信號輸出，XSZ的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài)，響應(yīng)外部靜音控制；
    (2)電源過壓保護(hù)：將+120 V電源升至+128 V，負(fù)電源保持不變，模塊進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；將-120 V電源降至-128 V，正電源保持不變，模塊進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；
    (3)電源欠壓保護(hù)：將+120 V電源降至+100 V，負(fù)電源保持不變，模塊進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；將-120 V電源升至-100 V，正電源保持不變，模塊進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；
    (4)電源反接保護(hù)：將電源正負(fù)反接，模塊無損壞進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；
    (5)電源過流保護(hù)：輸出標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載換為2 Ω，加大輸入音頻信號幅度，當(dāng)輸出功率超過2 800 W時，音頻輸出腳無信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài)；
    (6)高溫保護(hù)：用高溫溫箱對模塊進(jìn)行加熱，當(dāng)模塊內(nèi)部溫度達(dá)到+80℃時，音頻輸出腳無信號輸出，XS2的8腳為高,模塊處于保護(hù)狀態(tài)；
    (7)輸出對地保護(hù)：將模塊輸出音頻腳與地短接，音頻輸出腳無信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài)；
    (8)輸出短接保護(hù)：將模塊輸出音頻腳相互短接，音頻輸出腳無信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài)；
    (9)保護(hù)指示：當(dāng)模塊進(jìn)入任一保護(hù)態(tài)時，XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài)。
    從以上測試結(jié)果可以看出本文數(shù)字功率放大器在靜音控制、電源過壓保護(hù)及電源欠壓保護(hù)等多方面都可以滿足穩(wěn)定工作的要求。
4．2 技術(shù)指標(biāo)測試
    音頻輸入頻率為1 kHz的正弦波，電源電壓為±120 V。用計算機(jī)控制選擇音頻測試儀Audio Precision System One的設(shè)置，根據(jù)不同的指標(biāo)測試選擇測試項，測試結(jié)果如表1，圖4～圖6所示。

4．3 測試結(jié)果分析
    將測試指標(biāo)與傳統(tǒng)模擬功放和國外一流數(shù)字功放制造廠家進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。由對比結(jié)果可以看出樣機(jī)的各項性能指標(biāo)與國際知名廠家的專業(yè)功放基本一致。

    高效數(shù)字功率放大器優(yōu)化設(shè)計方案通過樣機(jī)的研制開發(fā)驗證合理可行，且實現(xiàn)了音頻信號高效率、高指標(biāo)放大，在大功率領(lǐng)域的開發(fā)取得了較為理想的效果，采用NBDD脈寬調(diào)制方式，實現(xiàn)了高質(zhì)量脈寬調(diào)制，完美再現(xiàn)脈寬調(diào)制波形，失真度指標(biāo)高，為提高系統(tǒng)可靠性所采取的各種保護(hù)措施都取得了預(yù)期的效果，提高了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語
    采用NBDD調(diào)制方式對音頻信號進(jìn)行脈寬調(diào)制采樣，加入Dead-Time后，再經(jīng)由浮動電源和自舉相結(jié)合的驅(qū)動方式對脈寬調(diào)制信號進(jìn)行放大，放大了的脈寬調(diào)制信號驅(qū)動半橋工作模式下的開關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，實現(xiàn)了高效率數(shù)字音頻功率放大器的優(yōu)化設(shè)計，在方案設(shè)計中所采取的各種優(yōu)化設(shè)計取得了一定的效果，分析計算方法合理可行。