基于NBDD的高效數(shù)字音頻功率放大器設計

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模擬功率放大器之前，必須進行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)制設計中，降低了低通濾波器設計階數(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行工作。其實現(xiàn)原理如圖1 所示。

圖1 高效數(shù)字功率放大器原理圖

輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進行放大,同時進行低通濾波。低通濾波器采用的是二階But terw orth 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)動器進行預放大，放大了的PWM 信號驅(qū)動由場效應管組成的半橋開關(guān)放大器進行功率放大，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，并將負載接于兩半橋輸出端即可。

為了增加模塊的可靠性，設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，幫助整機及時準確查找問題，便于模塊進行維修。

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。

圖2 NBDD 調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)框圖

輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進行放大,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，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; 比較器應具備響應速度快、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)化設計

開關(guān)放大器的主要特點就是高效，因此其優(yōu)化設計主要應體現(xiàn)在進一步減小各類損耗，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通，在下管完全截止后再讓上管開始導通，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 延遲導通，正常截止 的原則，加入的時間稱為Dead T ime( 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 溝場效應管。

圖3 引入Deed T ime 前后信號對比

4 各項指標測試

指標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 Precisio nSystem One 是由全球最大的音頻測試儀器制造商美國Audio Precisio n 公司制造。

電源經(jīng)電流表送到被測樣機的電源插座上; 電源輸出的正、負端間并聯(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準功率電阻，被測樣機輸出的功率信號送到標準負載上，同時送到音頻測試儀上進行分析測試。由計算機控制選擇音頻測試儀A udio Precision Sy stem One 的輸出信號頻率、幅度等特性，并選擇需要測試的指標，同時將測試結(jié)果顯示到計算機上。

4. 1 功能指標測試

將模塊按正常情況進行連接。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，模塊處于保護狀態(tài)，響應外部靜音控制;

( 2) 電源過壓保護: 將+ 120 V 電源升至+ 128 V,負電源保持不變，模塊進入保護狀態(tài); 將- 120 V 電源降至- 128 V，正電源保持不變，模塊進入保護狀態(tài);

( 3) 電源欠壓保護: 將+ 120 V 電源降至+ 100 V,負電源保持不變，模塊進入保護狀態(tài); 將- 120 V 電源升至- 100 V，正電源保持不變，模塊進入保護狀態(tài);

( 4) 電源反接保護: 將電源正負反接，模塊無損壞進入保護狀態(tài);

( 5) 電源過流保護: 輸出標準負載換為2Ω，加大輸入音頻信號幅度，當輸出功率超過2 800 W 時，音頻輸出腳無信號輸出，XS2 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(tài);

( 6) 高溫保護: 用高溫溫箱對模塊進行加熱，當模塊內(nèi)部溫度達到+ 80℃時，音頻輸出腳無信號輸出,XS2 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(tài);

( 7) 輸出對地保護: 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，模塊處于保護狀態(tài);

( 8) 輸出短接保護: 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，模塊處于保護狀態(tài);

( 9) 保護指示: 當模塊進入任一保護態(tài)時，XS2 的8 腳為高，模塊處于保護狀態(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、電源過壓保護及電源欠壓保護等多方面都可以滿足穩(wěn)定工作的要求。

4. 2 技術(shù)指標測試

音頻輸入頻率為1 kHz 的正弦波，電源電壓為! 120 V。用計算機控制選擇音頻測試儀Audio Precision System One 的設置，根據(jù)不同的指標測試選擇測試項，測試結(jié)果如表1，圖4~ 圖6 所示。

圖4 1 000 W/ 4 樣機頻響指標測試結(jié)果圖

圖5 1 000 W/ 4 樣機噪聲低電平指標測試結(jié)果圖

圖6 1 000 W/ 4 樣機失真度指標測試結(jié)果圖

4. 3 測試結(jié)果分析

將測試指標與傳統(tǒng)模擬功放和國外一流數(shù)字功放制造廠家進行對比，結(jié)果如表2 所示。由對比結(jié)果可以看出樣機的各項性能指標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)化設計方案通過樣機的研制開發(fā)驗證合理可行，且實現(xiàn)了音頻信號高效率、高指標放大，在大功率領域的開發(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，失真度指標高，為提高系統(tǒng)可靠性所采取的各種保護措施都取得了預期的效果，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行脈寬調(diào)制采樣，加入Dead T ime 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)化設計，在方案設計中所采取的各種優(yōu)化設計取得了一定的效果,分析計算方法合理可行。