1、如何设计出理想的 D类放大器？2004-7-8 9:53:27 EDN CHINA 电子设计技术 作者：Wolfson Microelectronics 公司(华强电子世界网讯) 在多通道和数字音源时代，采用 D类放大器以简化前级线路、提高功放效率从而降低对电源及散热的要求，这已是大势所趋。但 D类功放虽然也被称作数字化功放，但在电路设计上绝不像纯粹的数字电路那么简单，也不是直接采用一两块芯片就可以大功告成的。以数字手段实现模拟功能，仍然需要考虑许多模拟方面的因素，但考虑的因素和角度与传统的线性功放又有很大差异。本文除了介绍 D类放大器的基本原理和好处之外，还着重讲解了输出级设计、功放管选择、
2、电源、电磁兼容，以及电路板布局方面需要注意的一些问题，这些实用知识有助于设计师减少走弯路的麻烦。 D 类放大的好处凭借诸如极佳的功率效率、较小的热量以及较轻的供电电源等优点，D类放大器正在音频世界掀起风暴，这一点儿也不令人惊奇。的确，随着技术的成熟以及其所达到越来越好的声音重现效果，看起来继续使用 D类放大器向市场渗透是一个颇有把握的赌注，以往在这个市场上只有传统的线性（A 类、B类或 AB类）功率放大器能够提供令人满意的性能。环绕声格式的不断进步加速了这种趋势。由于越来越多的家庭和车内娱乐系统、DVD 播放器以及 AV接收机需要驱动六个或更多的扬声器，线性放大器及其电源的尺寸增大了，并且产生
3、了更多的热量。例如，Dolby Digital（杜比数字）格式要求六个独立的输出级，而更新推出的 Dolby Digital EX要求更多的 8声道。鉴于此，D 类放大技术的优势显得比以往更加突出。输出级数模转换机制所有 D类系统的共同特点及其超群的功率效率的奥秘就在于输出级（通常是 MOSFET）的电源器件总是要么全通要么全关。这与线性放大器形成对比，线性放大器输出晶体管的导通状态随时间变化。晶体管消耗的功率是其压降与流过电流之积（P=IV），通常占到线性放大器消耗的总功率的 50%或更多。在 D类系统中不是这样。由于所有输出晶体管要么压降为零（处于“通”状态）要么流过的电流为零（处于“关”
4、状态），理论上根本不会损失能量。回到现实世界中，安装在数以百万计的微处理器之上的冷却风扇表明即使是纯数字系统也会以发热的形式浪费能量，D 类放大器达到的功率效率在 85至90%之间。不过，如何使一个天生只能产生方波的开关器件再现音乐中多种多样的波形呢？某些类型的高频“数字”信号可以通过低通滤波产生平滑的“模拟”输出。最广泛使用的就是脉宽调制（PWM：pulse width modulation）技术，其中矩形波的占空比与音频信号的振幅成正比。通过与一个高频锯齿波比较，可以很容易地将模拟输入转换为 PWM（参见图 1）。图 1 具有模拟输入的 D类系统但是，从 CD和 DVD光盘到数字广播和 M
5、P3，大多数当今的媒体格式都是数字的，在进行 D类放大之前将其转换为模拟信号不可避免地会增加噪声并提高系统复杂性。在数字域将信号变换为 PWM避免了这个问题，并且还消除了比较器和锯齿波发生器，这是两个天生会产生噪声和干扰的模拟元件（参见图 2）。图 2 具有数字输入的 D类系统利用现有芯片功能利用这种工作原理，Wolfson Microelectronics 最近推出了一款 PWM控制器。WM8608 构成了具有多达 6.1个输出声道的数字输入 D类解决方案的基础。该方案采用了 I2S或类似标准格式的数字输入，将每个声道转换为一个高频 PWM信号，驱动由四个功率 MOSFET组成的输出级。然后
6、由低通重建滤波器平均 PWM信号，显现由原始数字信号代表的模拟电平。然后再将该经过滤波的信号传送到扬声器（参见图 3）。图以 WM8608为特色的系统方框图为了产生 PWM输出，WM8608 首先生成一个内部时钟，其 256个周期构成一个 PWM周期。根据数字输入，PWM 输出在 12至 244时钟周期之间保持为高，在其它地方则保持为低（最初 12个周期总为高，最末 12个周期总为低）。因此在一个 PWM周期之内可以产生 232 (244-12)个不同的输出电平。实际上，这就是一个 232级数模转换器（DAC），分辨率为 7.86 bits (log2 232)。不过，这还不是一个完整的故事：
7、由于典型的 PWM频率为 384或 352.8kHz，存在 8种可以代表各个音频采样的 PWM周期。WM8608 发挥了这种过度采样（oversampling）的优势，利用了线性化和噪声整形技术，这些技术最初是为将西格玛-德尔塔 DAC的有效分辨率提高到高于 16 bits而开发的。高于100dB（A-权重）的信噪比已经得到验证。保持内部时钟“清洁”至关重要，因为任何抖动都会引起 PWM信号边缘定时的随机变化，这会以噪声的形式出现在模拟输出中。因此内部时钟由一个芯片内低噪声锁相环（PLL）通过系统主时钟产生。只要主时钟适当地清洁，这样就会消除掉大多数抖动。理想情况下，主时钟也应该由 WM860
8、8产生。因为这样可以把振荡器和 PLL之间的连接保留在芯片内，就防止了来自开关输出级或其它来源的干扰破坏时钟。此外，不需要外部 PLL滤波元件，降低了对 PCB布局的敏感性。为了使噪声不影响给 PLL供电的 3.3V模拟电源，在接近电源引脚处插入了一个去耦滤波器。输出级设计与模拟放大器非常类似，D 类输出级可以每声道与两个晶体管单端连接，或者构成四晶体管桥接类型。后者通常是首选，因为它提供了无需隔直流电容器的单电源操作（参见图 4）。图 4“H”桥接输出级而单端连接的输出级要么要求很大的电容器来消除输出的直流偏置，要么需要更多昂贵的分立电源。桥接配置的另一个优点是将输出振幅(Vpk-pk)从
9、Vs（电源电压）加倍到 2VS，使得给定电源电压能够提供的理论最大功率Pmax提高到四倍：实际上，PWM 控制器的占空比范围仅限于 5%到 95% (12/256及 244/256)，将输出振幅限制在 2VS到 1.8VS，而由于阻性损耗功率输出进一步降低。可以计算如下：其中 RParasitic包括一个 NMOS和一个 PMOS器件的“通”电阻以及电源的内电阻、滤波电感器的串联电阻和 PCB迹线电阻。一个使输出功率最大化的简单办法是使用低阻抗扬声器。例如，对于同样的供电电压，一个 4 的负载所汲取的功率是一个 8 扬声器的两倍。但是，这会略微降低功率效率，因为与负载自身相比寄生电阻变的更重要
10、。动态峰值抑制是一种使音频信号无需更强输出级就可以发声更响的技术。本质上，它在数字域放大信号，动态调节增益来预防削波。WM8608 利用了一个具有频率相关延迟的特别峰值抑制器来避免低频失真。选择合适的晶体管为输出级选择适当的元件非常关键，因为其特性对系统性能具有很大的影响。首先，功率 MOSFET必须能够承受其所期望处理的电压和电流。由于快速开关的 PWM信号会在输出滤波电感器上引起反向电动势（EMF），最大的额定漏-源电压应该至少比供电电压高 25到 50%。其次，功率 MOSFET的“通”电阻导致发热并降低功率效率，因此应该尽可能低。常用的具有 4或 8 阻抗的扬声器要求 RON远低于 0
11、.2 ，以保证阻性损耗适度地低。开关延迟是选择输出器件的另一个重要参数。WM8608 产生脉宽范围为122ns到 2.7s 的 PWM信号。为了保持信号完整性，输出级（功率 MOSFET加上电平转换器）的开关延迟与最小 PWM脉宽相比应该很小。一个较不明显的潜在问题是晶体管之间开关特性的匹配。例如，如果一个 NMOS器件的开启比其对应 PMOS的关闭快的多，两种器件的“通”时期就可能在信号边缘出现短时间的重叠。在两种器件都导通的情况下，供电电源本质上是短路的，导致功率效率降低，热耗散增加，并且可能降低供电电压，这将使音频信号失真。最后，设计人员还应该关注 MOSFET门电容。大电容会引起 RC
12、延迟，放慢晶体管开关速度。此外，这也增加了功率耗散，并使驱动 MOSFET的电平转换器发热。由于同样的原因，电平转换器的输入电容也应该很小。某些制造商提供集成输出级，可以直接连接到 WM8608输出。这些集成电路（IC）通常包含四个匹配功率 MOSFET，并且还控制 PWM信号从 3.3V（在WM8608输出）到更高电压的电平转换，以便能够正确地开关功率器件。此外，他们还提供内置的短路和过载保护。电源因素线性与开关电源的对比在很多方法中，开关电源相对于传统线性电源越来越多的被使用反映了D类放大器的发展。两者普及性的不断增长都得益于其高功率效率、小尺寸和更低的冷却要求。因此，使用开关电源帮助设计
13、人员得到了 D类技术的全部好处。不过，在成本是最重要考虑因素的情况下，D 类放大器也可以由常规线性电源供电。开关电源的一个潜在问题是由于快速倒换大电流而引起的电磁干扰（EMI）。当电源和放大器中的不同开关频率发生交调时，这个问题就会恶化，产生在输出中可能听得到的音调。作为 PWM控制器中的独特产品，WM8608 提供了同步外部电源和芯片上 PWM调制器的能力，消除了交调。整流无论使用何种类型的电源，D 类放大器都比线性器件对电源供电质量敏感得多。因此，尽管 D类技术几乎肯定能够降低电源要求达 50%或更多，实际的电源设计往往还是宁愿更复杂一些。理由很简单：如果在电源和输出之间只有开关（功率 M
14、OSFET全通或全关），供电线上的任何电源或音带波动都将调制输出信号。换句话说，所有数字 D类放大器都具有一个 0dB的电源供电抑制比；它们本质上将电源用做电压参考。因此，好的负载整流，不仅仅是针对直流而是对于整个音带来说是不可或缺的；不良整流的电源会导致谐波失真。许多制造商提供浮动整流器，可以附加到现有的电源上，以便在必要时改善负载整流。在每个放大器输出使用一个独立的整流器具有降低音频声道之间串扰得额外好处。瞬态行为供电电源的另一个关键指标是其处理瞬态的能力。为了使输出级精确地重现 PWM信号，电源必须能够非常快地提高或降低其电流，并且不产生阻尼或降低输出电压。由于输出级的带宽限制在音频范围
15、，线性放大器在这方面的要求更少。因此，一个在线性系统中表现良好的电源可能不适合 D类技术。存储电容器是确定电源瞬态行为的最关键元件。首先，其必须保持足够的电荷来防止电流冲击引起供电电压下降，直到整流器发生作用（快速整流器有助于使电容器适当地小）。其次，由于任何寄生电阻或电感都阻止存储电荷的快速传递，必须使用低 ESR（有效串联电阻）电容器。添加一个与大的常规电解电容器并联的小的低 ESR电容器是不够的：因为所有的输出功率都以短的突发形式提供，所以所有电容都必须是低 ESR的。PCB 铜迹线上的寄生电阻和电感同样有害，应该通过将存储电容器尽可能靠近输出级放置来尽量降低存储电容。通过安排不同输出级
16、中的 MOSFET在不同时间开关，可以缓解对电源瞬态行为的要求。对于这个目标，WM8608 的内置“PWM 输出阶段”功能在各个输出声道的 PWM信号之间引入了 160ns的延迟。尽管 160ns远不足以在输出中产生听觉差异，这将开关瞬态扩展到了整个 PWM周期。在具有六声道的多声道系统中，这种技术大大降低了最大顺势负载，并减少了串扰。EMI 和布局的考虑EMI（电磁干扰）是 D类放大器设计中永恒的关注点，因为它不得不承载高功率 PWM信号的导线发射 PWM频率的电磁辐射及其进入射频波带的谐波。长的非屏蔽扬声器电缆本质上就象天线一样。因此，重建滤波器在满足相关规章方面起到重要作用。设计人员经常
17、面临两难境地，即低截止频率的滤波器可以抑制 EMI，但是也损耗音频频谱的高端，而高截止频率会保持平坦的频率响应，却要付出增加 EMI的代价。高阶滤波器可以满足两种要求，但是更贵，而且会降低功率效率。WM8608 提供了内置的数字扬声器均衡器，可以安排为三重放大。这使得使用低截止的低阶重建滤波器，同时仍然保持频率响应在音频范围内平坦成为可能。在放大器内部，可以通过保持输出级和滤波器之间的供电线和连接可行地短而降低 EMI。可能的话，这些元件应该与供电电源在同一块 PCB上。由于降低了阻性损耗，短而宽的铜迹线也使得放大器的效率更高。在多声道系统中，很难将大量的功率 MOSFET靠近电源放置，为了防
18、止串扰，一种在每端具有一个低 ESR存储电容器的“星形”连接是非常理想的。系统中可以方便地放置在离其它电路某段距离的地方的部件是 PWM控制器。为了防止来自其它系统元件的干扰在 PWM信号中引入抖动，WM8608 输出可以从标准 CMOS电压电平切换到 LVDS（低电压差分信号）模式，每条线都用100 负载终结。LVDS 还降低了电磁辐射以及由长的信号运行引起的 RC延迟。 测得的性能消费者音频放大器的三个关键指标是总谐波失真（THD）、信噪比（SNR）和功率效率，D 类技术相对于模拟技术具有无可争议的优势。对于噪声，D 类技术现在在消费者市场上与大多数模拟放大器相当。例如，对于 CD重放，SNR 的瓶颈通常不在于放大器而在于光盘上的 16-bit音频编码。借助更快的 PWM开关，SNR 在未来可能进一步改善。关键问题是供电电源和输出级是否能够跟上开关速度。这两种元件共同决定了 THD，理想情况下应该作为一个单元共同设计。利用 WM8608 PWM控制器和稳定而良好整流的电源，在传送1W音频功率时，测量显示 THD为 0.01% (-80dB)，在 30W时则下降到 0.1% (-60dB)。还得到了高达 90%的效率和超过 100dB (A-权重)的 SNR。在同等线性放大器一半的功率消耗之下，D 类技术达到这样的性
