工程師參考手冊（一）：D類功放設計須知

一、D類音頻功率放大器設計基礎

　　D功放是基于脈沖寬度調(diào)制技術的開關放大器，包括脈沖寬度調(diào)制器（幾百千赫茲開關頻率），功率橋電路，低通濾波器。本文從構(gòu)成、拓撲結(jié)構(gòu)對比、MOSFET的選擇與功率損耗、失真和噪音產(chǎn)生、音頻性能等D類音頻功率放大器設計有關的基礎問題作分析，并例舉D類功率放大器參考設計。

　　1、 D類功放基本構(gòu)成

　　目前有很多種不同種類的功放，如：A類、B類、AB類等。但D類功放與其不同的是基本是一個開關功放或者是脈寬調(diào)制功放。為此，主要將對說明這類D類功放作以說明。

　　在這種D類功放中，器件要么完全導通，要么完全關閉，大幅度減少了輸出器件的功耗，效率達90-95%都是可能的。音頻信號是用來調(diào)制PWM載波信號，其載波信號可以驅(qū)動輸出器件，用最后的低通濾波器去除高頻PWM載波頻率。

　　眾所周知， A類、B類和AB類功放均是線形功放，那么D類功放與它們究竟有什么不同？我們首先應作討論。圖1是D功放原理框圖，在一個線性功放中信號總是停留在模擬區(qū)，輸出晶體管（器件）擔當線性調(diào)整器來調(diào)整輸出電壓。這樣在輸出器件上存在著電壓降，其結(jié)果降低了效率。

　　而D類功放采用了很多種不同的形式，一些是數(shù)字輸入，還有一些是模擬輸入，在這里我們將集中討論一下模擬輸入。

　　上面圖1顯示的是半橋D類功放的基本功能圖，其中給出了每級的波形。電路運用從半橋輸出的反饋來補償母線電壓的變化。那末D類功放是如何工作的呢？D類功放的工作原理和PWM的電源是相同的，我們假設輸入信號是一個標準的音頻信號，而這個音頻信號是正弦波，典型頻率從20Hz到20kHz范圍。這個信號和高頻三角或鋸齒波形相比可以產(chǎn)生PWM信號，見圖2a中所示。這個PWM信號被用來驅(qū)動功率級，產(chǎn)生放大的數(shù)字信號，最后一個低通過濾波器被用在這個信號上來濾掉PWM載波頻率，重新得到正弦波音頻信號，見圖2b中所示。

　　2、 從拓撲結(jié)構(gòu)對比-看線性和D類不同

　　值此將討論線性功放（A類和AB類）和D類數(shù)字功放的不同之處。這兩者之間主要的不同是效率，這也是為什么要發(fā)明D類功放的原因。線性功放就其性能而言具有固有的線性，但是即使是AB功放其效率也只有50%，而D類功放的效率很高，在實際的設計中達90%。

　　增益-線性功放增益不受母線電壓影響而變化，然而D類功放的增益是和母線電壓成比例的。這就意味著D類功放的電源抗擾比率是0dB，而線性的PSRR（電源供應抑制比率）就很好。在D類功放中普遍用反饋來補償母線電壓變化。

　　能量流向-在線性功放中，能量是從電源到負載，雖然在全橋D類功放中也是這樣，但半橋D類功放還是不同的，因為能量可以雙向流動而導致“母線電壓提升”現(xiàn)象產(chǎn)生，這樣會造成母線電容被從加載來的能量充電。這個主要發(fā)生在低頻上，如低于100Hz是這樣。

　　3、 D類功放與Buck降壓轉(zhuǎn)換器類拓撲差異

　　在D類功放和同步降壓轉(zhuǎn)換器拓撲原理作如圖3所示。這兩個電路之間的主要不同有三：其一、對于同步降壓轉(zhuǎn)換器，其基準電壓來自反饋電路的慢慢變化的穩(wěn)定電壓;而D類功放的參考信號是一個不斷變化的音頻信號。也就是說，同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比是相對穩(wěn)定的，而D類以圍繞50%占空比不斷地改變。其二、在同步降壓轉(zhuǎn)換器中負載電流的方向總是朝著負載，即電感電流為單向，見圖3左所示。但是在D類功放中電流是朝著兩個方向的，即電感電流為雙向，見圖3右所示。最后的不同是MOSFET的優(yōu)化方式。同步降壓轉(zhuǎn)換器對于高低端的晶體管有著不同的優(yōu)化，較長的周期需要較低的Rds（on），而較短的周期需要低的Qg（柵極電荷），即兩個開關作用不同。但D類功放對兩個MOSFET有著相同的優(yōu)化方式。高低端器件有相同的Ras（on），即兩個開關作用相同。

　　4、 D類功放中MOSFET的選擇

　　在功放中要達到高性能的關鍵因素是功率橋電路中的開關。在開關過程中產(chǎn)生的功率損耗、死區(qū)時間和電壓、電流瞬時毛刺等都應該盡可能的最小化來改善功放的性能。因此，在這種功放中開關要做到低的電壓降，快速的開關時間和