有關(guān)應(yīng)對(duì)D類放大器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的可升級(jí)方案

從家庭影院到有源音箱的高性能音頻設(shè)備設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)D類放大器由于節(jié)省空間而極具吸引力。遺憾的是，這些設(shè)計(jì)師對(duì)于D類放大器中所用的PWM開關(guān)放大器概念不夠熟悉，因?yàn)樗麄兊慕?jīng)驗(yàn)深深地根植于AB類放大器這樣的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 

他們面臨的挑戰(zhàn)與功率晶體管的開關(guān)工作模式有關(guān)，這種模式要求徹底導(dǎo)通或徹底關(guān)斷。一個(gè)精心調(diào)整和良好保護(hù)的PWM開關(guān)電路能夠可靠地執(zhí)行上述操作。但是一個(gè)具有小小錯(cuò)誤或非理想?yún)?shù)的設(shè)計(jì)很容易導(dǎo)致原型的徹底失敗。當(dāng)放大器自毀后，很難查清具體的原因。因此更正錯(cuò)誤會(huì)為項(xiàng)目開發(fā)增加大量的時(shí)間和成本。 

為了加快D類放大器的設(shè)計(jì)，國(guó)際整流器公司(IR)將四個(gè)主要的D類放大器構(gòu)建模塊集成為一個(gè)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(qū)動(dòng)級(jí)電路和過載保護(hù)功能結(jié)合到一起，IRS2092可以通過快速優(yōu)化來(lái)提升終端產(chǎn)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(biāo)是噪聲和總諧波失真(THD)。在D類放大器中，影響這些指標(biāo)的因素包括有限的開關(guān)時(shí)間、過沖/欠沖以及電源波動(dòng)。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(hào)與輸入音頻信號(hào)，并根據(jù)比較結(jié)果校正輸出級(jí)電路中的這些缺陷。 

D類放大器的噪聲環(huán)境所要求的特性與A類或A/B類設(shè)計(jì)中所要求的不一樣，因此要找到一個(gè)合適的運(yùn)算放大器是一件復(fù)雜且耗時(shí)的過程。IRS2092中集成了一個(gè)優(yōu)化的運(yùn)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(shè)計(jì)實(shí)例中實(shí)現(xiàn)了0.005%的THD。 

噪聲隔離 

D類放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求前后端靠得很近。在分立實(shí)現(xiàn)方案中，設(shè)計(jì)師必須確定如何將對(duì)噪聲敏感的模擬輸入部分與大信號(hào)輸出級(jí)中的有害開關(guān)噪聲隔離開來(lái)。 

圖1：IRS2092單芯片解決方案

圖2：THD+N比與輸出功率的關(guān)系

而在單芯片方案中，最艱巨的挑戰(zhàn)包括如何實(shí)現(xiàn)上述兩種電路之間足夠的電氣隔離。IRS2092采用了專有的半導(dǎo)體結(jié)隔離方法，確保了噪聲隔離指標(biāo)。 

PWM比較器和電平轉(zhuǎn)換 

一旦誤差放大器對(duì)輸入音頻信號(hào)處理后輸出形狀與輸入信號(hào)成比例的信號(hào)，比較器就會(huì)將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。 

IRS2092的PWM比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成PWM信號(hào)時(shí)，傳播延遲很小，因此在優(yōu)化反饋環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)具有較大的靈活度。 

下一個(gè)挑戰(zhàn)是將PWM信號(hào)從安靜的誤差放大器電路輸送到噪聲較大的開關(guān)級(jí)電路。此時(shí)會(huì)有一個(gè)高電壓電平轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換到一個(gè)不同的浮動(dòng)電位上，因此不管兩邊的電壓差如何都能準(zhǔn)確地傳送PWM信號(hào)，就像一個(gè)理想的差分放大器那樣。 

柵極驅(qū)動(dòng)和MOSFET開關(guān)級(jí)電路 

柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)電路接收來(lái)自比較器、參考電平為地電平的PWM信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行低電平轉(zhuǎn)換，形成分別以高端和低端MOSFET的源極為參考電平的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)，在每個(gè)ON狀態(tài)之間插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間，以防止在高端和低端MOSFET中同時(shí)出現(xiàn)ON狀態(tài)。 

精確的門控制是獲得優(yōu)質(zhì)音頻性能的關(guān)鍵。柵極驅(qū)動(dòng)器的脈沖寬度失真必須很小，應(yīng)該在高端和低端柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)之間達(dá)到完全匹配。這兩項(xiàng)屬性都很關(guān)鍵，能將死區(qū)時(shí)間減到最小，從而改進(jìn)放大器的線性度。 

死區(qū)時(shí)間插入 

死區(qū)時(shí)間插入是D類放大器的開關(guān)級(jí)電路設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。通過調(diào)整MOSFET有限的開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間，死區(qū)時(shí)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(huì)產(chǎn)生非線性，從而導(dǎo)致意外失真。設(shè)計(jì)師常常不得不在THD性能和安全余量之間采取折中。 

IRS2092內(nèi)置了死區(qū)時(shí)間控制，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)所選的MOSFET來(lái)選擇死區(qū)時(shí)間寬度。相對(duì)于外部死區(qū)時(shí)間控制設(shè)計(jì)，集成式死區(qū)時(shí)間插入的寬度是有保證的，設(shè)計(jì)師無(wú)需估計(jì)最壞情況。 

過載保護(hù) 

由于MOSFET的功率耗散正比于負(fù)載電流的平方，保護(hù)電路通常監(jiān)控負(fù)載電流來(lái)防止MOSFET在過流情況下失效。通常采用一個(gè)外部分流電阻來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流，但電阻選擇和噪聲濾波等因素非常關(guān)鍵，可能會(huì)增加整個(gè)設(shè)計(jì)的開發(fā)時(shí)間、成本和物理尺寸。 

保護(hù)電路還要求支持對(duì)功率級(jí)中關(guān)鍵電流環(huán)路路徑中的雜散電感所引起的額外開關(guān)噪聲進(jìn)行補(bǔ)償校正。 

在集成式構(gòu)建模塊芯片中，內(nèi)置過載保護(hù)取決于MOSFET的通態(tài)電阻。集成式電路監(jiān)控輸出電流，當(dāng)超過預(yù)設(shè)門限時(shí)將切斷PWM。另外，MOSFET通態(tài)電阻較大的正溫度系數(shù)隨著結(jié)溫的升高會(huì)降低過流門限，從而增強(qiáng)了放大器的安全性。 

結(jié)論：即插即用型可升級(jí)的Ｄ類放大器 

通過上述四個(gè)關(guān)鍵功能的集成，IRS2092提供了一個(gè)即插即用型D類放大器解決方案，它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非常重要的受保護(hù)的PWM開關(guān)級(jí)電路。它的高集成度解決了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而且還具有很大的靈活性，允許工程師定制某些功能來(lái)滿足特定的設(shè)計(jì)需求。 

調(diào)整放大器使其提供不同的輸出功率電平或者實(shí)現(xiàn)不同數(shù)量的通道同樣非常容易，只需選擇合適的外部MOSFET對(duì)，并相應(yīng)調(diào)整死區(qū)時(shí)間以及過載保護(hù)門限。外部MOSFET還能讓工程師優(yōu)化EMI和效率來(lái)滿足應(yīng)用要求。 

最后，完備的可升級(jí)能力還允許在多個(gè)產(chǎn)品中共享一個(gè)公共基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，并且IRS2092將隨著終端產(chǎn)品的發(fā)展而不斷縮減其成本和上市時(shí)間。