D類音頻功放在使用中效率與干擾

由之前 ”如何評(píng)估D類音頻功放的動(dòng)態(tài)效率” 的討論，如果Poq代表輸出功率Po與靜態(tài)消耗功率Pq的比，Emos代表輸出功率晶體管的效率且Eff代表總效率，則總效率：

　　Eff = （ Poq x Emos ） / （Poq + Emos ）

　　以上公式說(shuō)明Poq対總效率的影響與輸出功率晶體管的效率Emos対總效率的影響程度一樣，所以靜態(tài)消耗功率Pq或靜態(tài)消耗電流Iq在評(píng)估總效率時(shí)需列入考慮。

　　圖一

　　圖一顯示兩個(gè)立體聲D類功放的Eff曲線，這兩個(gè)功放的電源是12V且輸出晶體管的效率Emos都是0.8，曲線A功放的靜態(tài)電流是10mA而曲線B功放的靜態(tài)電流是25mA。由于是立體聲所以每個(gè)單一聲道的靜態(tài)電流只有一半，亦即曲線A靜態(tài)電流是5mA而曲線B則是12.5mA。由圖標(biāo)可知在低輸出功率或輸出功率大約為最大輸出功率的10%以下時(shí)曲線A的總效率明顯優(yōu)于曲線B。曲線A是TMPA430DS在12V及8ohm電阻負(fù)載的Eff曲線。

　　圖二

　　圖二顯示兩個(gè)立體聲D類功放的Eff曲線，這兩個(gè)功放的電源是5V且輸出晶體管的效率Emos都是0.9，曲線C功放的靜態(tài)電流是5.6mA而曲線B功放的靜態(tài)電流是10mA。所以曲線C每聲道靜態(tài)電流是2.8mA而曲線D則是5mA。由圖標(biāo)可知兩曲線的優(yōu)劣與圖一相當(dāng)，低的靜態(tài)電流有高的總效率Eff。曲線C是TMPA3155DS在5V及8ohm電阻負(fù)載的Eff曲線。

　　                                                               圖三

　　圖三也是顯示兩個(gè)立體聲D類功放的Eff曲線，曲線F與圖二的曲線D是同一個(gè)功放，曲線E與圖二的曲線C除了晶體管的效率只有0.85以外其它條件都一樣。圖三顯示曲線E雖然晶體管的效率只有0.85低于曲線F的0.9， 但由于曲線E的靜態(tài)電流是2.8mA比曲線F的5mA要低所以在輸出功率小于0.18W以下曲線E的總效率反而高，這強(qiáng)調(diào)了低的靜態(tài)電流對(duì)總效率Eff的影響。

在評(píng)估總效率時(shí)并不需要考慮輸出晶體管在切換時(shí)的切換損失（switching loss）。在D類功放IC設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱吮苊廨敵龉β示w管在切換的時(shí)候產(chǎn)生短路電流（short current）或貫穿電流（through current），輸出功率晶體管在切換的時(shí)候會(huì)保留一個(gè)暫息區(qū)（dead zone），所以任何一個(gè)輸出端的PMOS在導(dǎo)通之前其相對(duì)應(yīng)的NMOS需先完全關(guān)閉，反之亦然。所以基本上輸出NMOS晶體管并不會(huì)造成切換損失。但是輸出PMOS晶體管在導(dǎo)通期間會(huì)對(duì)輸出端所呈現(xiàn)的電容充電，這電容包括IC內(nèi)的打線墊（bonding pad）電容，輸出晶體管的汲極（drain）電容及其它雜散電容。這充電的電容會(huì)在NMOS導(dǎo)通時(shí)放電而這消耗掉的功率已經(jīng)算在靜態(tài)電流或靜態(tài)損失里頭。如果BTL的兩端是全対稱的，接上負(fù)載時(shí)靜態(tài)電流不會(huì)增加，如果靜態(tài)電流增加就是負(fù)載有電容成分。

　　由于效率的關(guān)系，功放在推動(dòng)喇叭的時(shí)侯會(huì)產(chǎn)生熱而使溫度上升，溫度上升會(huì)造成輸出晶體管導(dǎo)通效率Emos變差而使總效率下降，所以對(duì)大功率或效率較差的功放適當(dāng)?shù)纳崾潜匾摹Ｈ绻鸇類功放的電壓増益由前置電路決定而非由輸出端回授，在溫度上升的時(shí)候由于輸出晶體管導(dǎo)通效率Emos變差輸出訊號(hào)會(huì)隨著溫度的上升而縮小，縮小的幅度由輸出晶體管導(dǎo)通效率Emos與負(fù)載的大小決定。由于輸出晶體管的導(dǎo)通電阻增加了所以輸出電流減小，電源的電流也隨著降低。如果D類功放的電壓増益由輸出端回授，在溫度上升的時(shí)候由于輸出晶體管導(dǎo)通效率Emos變差，為了維持電壓增益功率放大器要維持輸出訊號(hào)的大小所以產(chǎn)生更多的熱，當(dāng)然電源的電流也隨著上升。

　　為了降低電磁干擾（EMI）輸出端需要加磁珠（BEAD）濾波，磁珠后頭的濾波電容通常使用1nF，輸出的PWM訊號(hào)每個(gè)周期対此電容充放電一次，以5V電源及250KHz的工作頻率而言每個(gè)電容所產(chǎn)生的靜態(tài)電流為

　　I = CVF = 1nF x 5V x 250K = 1.25mA

　　BTL輸出的立體聲功放有4個(gè)輸出端或4個(gè)輸出濾波電容，所以加了EMI濾波之后靜態(tài)電流就增加了5mA。由上述公式可知，選用較低工作頻率的功放或較小濾波電容可以減少靜態(tài)電流的增加。

　　AB類音頻功放也是在高輸出功率的時(shí)候有高效率，實(shí)際最高效率大約65%，所以D類音頻功放的效率即使可高達(dá)90%但在大功率輸出時(shí)相對(duì)于AB類功放其節(jié)省的功率只有總消耗功率的25%。即使如此這兩個(gè)效率在散熱處理確相差很大。如果兩種功放都消耗20W的能量，D類功放輸出18W的功率而產(chǎn)生2w的熱但是AB類功放輸出13W的功率而產(chǎn)生7w的熱，如果AB類功放要輸出18W的功率產(chǎn)生的熱就高達(dá)9.6W。2W的散熱使用一般平價(jià)的封裝即可達(dá)到但9.6W的熱就要耗掉散熱成本及空間。在使用上音頻功率放大器并非隨時(shí)使用在最大功率，以最大輸出功率為3Ｗ的D類音頻功放而言如果輸出功率0.5W或1W，依公式計(jì)算效率已經(jīng)高于86%或88%。以最大輸出功率為3Ｗ的AB類音頻功放而言如果輸出功率同樣是 0.5W或1W 其效率只有25%及37%。所以D類功放與AB類功放的使用效率比大約3倍，輸出功率越低效率相差越大，D類功放的效率遠(yuǎn)優(yōu)于AB類功放的效率是在半功率輸出以下才更明顯。如果音頻內(nèi)容是音樂訊號(hào)則大部分時(shí)間都在低輸出功率，效率上D類功放比AB類功放好很多。如果音頻內(nèi)容是間歇性的譬如新聞播報(bào)，則間斷的時(shí)間相對(duì)的長(zhǎng)。間斷的時(shí)侯只消耗靜態(tài)功率，以同樣標(biāo)示3W輸出的功放，D類功放的靜態(tài)消耗功率只有AB類的10% - 20%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示D類功放使用電池播放音樂時(shí)，電池的使用時(shí)間比AB類要長(zhǎng)5倍以上。

　　D類功放在使用上最大缺點(diǎn)是產(chǎn)生干擾訊號(hào)，由于D類功放的輸出訊號(hào)是大電流快速切換的脈波，干擾訊號(hào)強(qiáng)且干擾的諧波頻率寬而容易造成接收機(jī)收訊不良等缺點(diǎn)。干擾方式主要來(lái)自接線傳導(dǎo)或幅射，避免接線傳導(dǎo)可以在接線串接磁珠及濾波電容以過(guò)濾高頻諧波，至于低頻諧波干擾則可使用LC輸出濾波器，但電感的寄生電容要小以避免高頻干擾穿出電感。如果接收機(jī)與功放擺在同一個(gè)PC板則電源及鋪地要隔離，最好在電源端就分開或個(gè)別供電。至于輻射干擾，接收機(jī)的天線端與功放的輸出端或走線各放在PC板的兩邊以增加距離，天線擺設(shè)的方向要與D類功放的輸出訊號(hào)跑線互相垂直使天線的接收效率降到最低。功放輸出引腳在PC板上的引線或喇叭線越短越粗越好以降低天線效應(yīng)亦即降低天線輻射效率而減少電磁幅射。如果機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)或立體聲的關(guān)系需要使用長(zhǎng)的喇叭線最有效防止輻射的方法是使用含隔離線的喇叭接線，隔離線在PC板的這一端接地在喇叭的那一端懸空，實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種屏蔽方式使用在TMPA3155/3156有相當(dāng)程度的改善。另外較大體積的含金屬組件適當(dāng)?shù)臄[置也可以屏蔽一些幅射訊號(hào)。由于干擾訊號(hào)來(lái)自PWM的切換，較低的工作頻率或PWM頻率可以線性的降低干擾能量。震一科技的D類功放的工作頻率除了特殊考慮外大多設(shè)定在250KHz，除了EMI的考慮外還可以降低之前提及的EMI濾波電容所造成靜態(tài)電流的增加。