具有成本競爭力的D類放大器音頻方案的差異化設計

現成的D類放大器芯片可以解決這些功率設計難題，但同時也限制了人們優化放大器的其它性能，設計工程師將無法通過增強性能來實現產品的差異化。

最理想的情況是向音頻設計工程師提供實現功率電子功能的一站式解決方案，從而讓他們集中精力發揮在反饋路徑和輸出濾波器等領域的專長。

D類放大器設計的靈活性

為幫助理解D類放大器解決方案如何提供這些現成的功能性和設計靈活性，圖1給出通用D類放大器的功能模塊圖。輸入音頻信號與高頻鋸齒波進行比較，產生代表輸入信號的脈寬調制方波。鋸齒波頻率被設置成比最高音頻信號的頻率高很多，一般在400kHz左右，以減少失真并簡化輸出濾波器設計。

圖1：通用D類放大器的功能模塊圖。

然后，采用經過脈寬調制的音頻信號驅動放大器輸出級，這個輸出級電路可能是全橋MOSFET陣列，也可能是半橋MOSFET陣列。輸出拓撲的選擇取決于包括成本、輸出功率、電源設計和信號特性在內的系統要求。例如，半橋輸出級要求正、負電壓軌，而全橋輸出級電路可在單電源下工作，在給定的開關速率下也能產生更大的輸出功率。

無論是哪種情況，都要針對D類音頻放大器對輸出MOSFET特性進行優化，以最大化效率，并確保很低的總諧波失真加噪聲(THD+N)和EMI。這要求低的導通電阻，以實現最終產品中的高功率密度，同時還要求優化的柵極充電和體二極管反向恢復特性經過，以實現快速、高效的開關。

放大的音頻信號包含在MOSFET橋輸出的方波信號內，因此需要用低通濾波器濾除音頻外的頻率，恢復出純音頻信號來驅動揚聲器。

開關級電路設計的挑戰

對沒有必要熟悉開關電源電子設計原理的設計工程師來說，為MOSFET橋產生柵極驅動信號的D類放大器功率開關級設計是他們面臨的最大挑戰。為獲得優異的音頻性能，精確的柵極控制是必要的，這要求脈寬失真小，高端和低端驅動信號之間匹配良好，以保持良好的線性。

死區時間的插入是一個特別艱巨的挑戰。為沖擊直通電流損壞輸出MOSFET，必須插入死區時間，但插入死區時間會給放大器特性帶來非線性，因此設計工程師經常無法在音頻保真和安全余量之間達到令人滿意的平衡。實現柵極驅動器和MOSFET的其它保護功能(如過溫保護和過壓保護)還將帶來更復雜的挑戰，這要求設計工程師具有豐富的開關功率電子設計技巧。

在面臨如此多挑戰的情況下使設計趨于完美非常困難，因為任何缺陷都會造成難以分析和校正的災難性故障。

為幫助設計工程師克服這些困難，快速交付成功的D類放大器產品，國際整流器(IR)公司推出了具有內置保護功能的完整的MOSFET柵極驅動器IRS2092。該器件還集成了誤差放大器和PWM比較器，允許設計工程師快速實現基于D類放大器的音頻解決方案。

還有其它一些重要的放大器特性與功率開關級電路設計緊密相關，包括在啟動和關閉期間減少咔嗒聲的消除電路。IRS2092也在內部集成了這些功能，從而進一步減少了設計開銷和器件數量。該方案解決了與D類放大器相關的功率電子設計挑戰，并為設計工程師運用專業音頻技術進一步提高產品性能提供了保障。

IRS2092還被設計成具有很好的靈活性，以便設計工程師可以決定輸出濾波器特性，并可以在許多位置中選取反饋點，以在滿足成本和器件數量的條件下獲得最佳的音頻性能和放大器穩定性。

D類放大器的差異化設計

1. 定制反饋環路

反饋環路設計是實現D類放大器差異化的一個重要特性。某些情況下，開環配置可以提供滿意的性能，但放大器中固有的時序誤差將增加失真和噪聲。可以利用負反饋很好地解決這個問題。最簡單的方法是將一部分開關信號反饋到誤差放大器的輸入端，并用無源RC低通濾波器進行預處理。市場上許多D類放大器芯片就是采用這種反饋方式。但是，設計工程師可能希望進一步優化放大器的失真性能，從更靠近輸出端的地方取得反饋信號來減少負載依賴性。例如，反饋點可能在音頻濾波器輸出的最遠點，即正好在揚聲器的前面。一些設計工程師還可能通過將揚聲器電子器件包含在反饋環路內來進一步改善性能，因為這些器件的影響可以被認為是放大器輸出濾波器的一部分。還有些設計可能聯合使用采自開關節點和濾波器輸出的兩種反饋信號。

IRS2092柵極驅動器芯片允許設計工程師自由地選取被認為是最佳的反饋點。通過明智的反饋實現以及對穩定性的補償，設計工程師可以取得高保真音質級別的諧波失真和噪聲(THD+N)性能。

2. 優化輸出濾波器性能

輸出濾波器對總效率、可靠性和音頻性能有很大影響。簡單的LC濾波器很常見，其截止頻率剛好在音頻頻段之上，并具有每十倍頻40dB的載波抑制性能。在許多應用中，只要小心控制揚聲器的阻抗，一個簡單的濾波器就可以提供足夠好的性能。但另一方面，經驗豐富的設計工程師可能希望使用更復雜的濾波器(具有更高階響應特性、更好的陷波特性或特殊的載波抑制方法)，以進一步改善失真和噪聲性能。

由于調節開關頻率等參數可以自由調節，IRS2092允許工程師優化輸出濾波器設計，并選取可提供理想特性的器件，如高線性和低直流電阻的電感。開關頻率可編程的一個重要好處是，它允許管理帶寬和開關頻率之間的平衡。例如，如果使用帶寬為200Hz的低音音箱放大器，可設置成更低的開關頻率的能力將大有裨益。

3. 最大化阻尼系數

由于反饋和濾波器電路的設計會影響放大器的輸出阻抗，所以設計工程師還需要控制好這些電路的設計以獲得足夠高的阻尼系數。阻尼系數是重要的一個品質因數，特別對負載阻抗較低的汽車音響系統而言。設計工程師必須確保嚴格控制揚聲器的工作，以便在車箱環境中達到可接受的性能。仔細控制放大器輸出和反饋設計可以實現大于100的阻尼系數，這對大多數音頻放大器來說通常是足夠的。

4. 可擴展性

使用如IRS2092這樣具有4個基本D類放大器構建模塊的集成芯片解決方案還有另外一個好處，即具有能滿足更高輸出功率或額外通道要求的可擴展性。通過定義合適等級的外部MOSFET、重新優化死區時間和過載保護門限，它能快速擴展放大器。通過保留相同的基本設計甚至相同的PCB設計，這種快速擴展能力可以縮短產品上市時間，并隨著終端產品的發展而降低設計成本。此外，通過驅動器-MOSFET組合的多次反復設計，就能快速實現多通道系統。例如，可以快速、方便地配置高性價比和緊湊的6.1或7.2通道環繞聲設備。

D類放大器參考設計

D類音頻放大器芯片不僅能解決設計挑戰、加速項目完成進度，還能有效地減少器件數量。為幫助設計工程師進一步發揮這些優勢，國際整流器公司推出了將IRS2092柵極驅動器芯片和兩個IRF6645 DirectFET MOSFET配置成半橋結構的參考設計(圖2)。

圖2：基于A/B類放大器的設計板(左)和IR公司D類放大器參考設計(右)的對比。

借助這個參考設計，設計工程師可以在61cm²的PCB面積上構建每個通道120W的開關放大器，此面積小于120W A/B類放大器參考設計面積的16%。由于D類放大器正常工作時無需散熱器，所以總體積的減小也很可觀。這個完整的D類放大器解決方案只占109cm³的空間，小于A/B類放大器體積的6%。

另外，這個參考設計在4Ω負載上輸出60W的功率的同時，可以達到0.005%的低THD+N性能，殘留噪聲僅170μV，1kHz處的阻尼系數為170。利用這個功能性基礎平臺，設計工程師自由地定制反饋和輸出濾波設計，以便為特定應用提供最佳的音頻性能和總體成本。