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三電平H橋輸出D類放大器

文章來源：永阜康科技更新時間：2020/9/19 10:05:00

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音頻功率放大器無所不在，有音樂響起的地方就會有音頻放大器的身影，一代代的電子工程師在這個領域辛勤耕耘撒播智慧。音頻放大器是要以一定的音量和功率在揚聲器或耳機上真實、高效的重現聲音信號。真實和高效一直是功率放大器領域技術進步的源動力。音頻頻率范圍約為20Hz～20kHz，要求放大器必須在此頻率范圍內具有良好的頻率響應；根據輸出功率不同，放大器可以被細分為不同的輸出功率規格，比如從幾百mW的耳機放大器到2W左右應用于便攜設備的小功率放大器，再到10W、20W的家庭音響用中功率、大功率放大器。
　　
AB類放大器是當今最常用的音頻功率放大器。其不同于最早的A類或B類放大器的區別在于，AB類放大器采用互補輸出級，通過在輸出端加一定的偏置電流以防止交越失真，從而能夠在提升A類放大器效率的基礎上，提供良好的音質。但它仍是一種線性放大器，輸出級晶體管工作在線性放大狀態，為負載提供瞬時連續輸出電流。輸出晶體管工作在線性狀態下，源極、漏極之間的壓降很大。輸出晶體管的瞬時功耗可表示為VDS×IDS，會有相當多的能量將消耗在輸出晶體管上，轉化為熱量。即使最有效的AB類放大器，其效率通常也只在60~70%左右。
　　
D類放大器采用一種全新的工作方式，其輸出級晶體管工作于開關狀態，輸出端在正電源和負電源之間切換產生一串電壓脈沖。當輸出晶體管不導通時，輸出級不消耗任何電流。輸出級晶體管導通電阻通常在0.2Ω，因此導通時VDS很低，晶體管上的功耗（VDS×IDS）也很小。低功耗的開關工作方式使得D類放大器在許多應用中優勢顯著，如可以節省印制電路板上用于散熱的金屬面積，可以省去專用的散熱片，并能夠延長便攜式設備的電池使用時間。
　　
D類放大器工作時，首先必須將輸入音頻信號調制成一串電壓脈沖。現今有很多方法將輸入音頻信號調制成電壓脈沖，最常用的技術是脈寬調制技術(PWM)。從原理上講，PWM調制是通過將輸入音頻信號與固定載波頻率的三角波進行比較，產生一串和載波相同頻率的電壓脈沖。PWM脈沖的占空比正比于該載波周期內音頻信號的幅度，占空比的變化即包含了輸入音頻信號的變化。由于載波頻率通常在音頻信號的10倍以上，從頻譜上分析，PWM調制在音頻范圍內是無失真的。
　　
通常D類放大器輸出端通過一個LC濾波器連接至揚聲器上。LC濾波器用于濾除電壓脈沖信號中的高頻部分，重建音頻信號。我們知道，揚聲器本身具有一定的頻響范圍，人耳基本上也不敏感音頻頻率范圍以外的信號，從這個角度來講，LC濾波器完全可以從D類放大器中刪去。讓我們看一下刪去LC濾波器后會發生什么情況。在沒有任何音頻輸入信號時，比較器會產生一串50%占空比的脈沖，該脈沖直接加在揚聲器兩端，在揚聲器內部被濾波后重建至零輸入的直流狀態。這個過程會在揚聲器的阻性負載上產生很大的功耗，降低了放大器的效率。
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三電平H橋輸出結構完全可以省去LC濾波器。在三電平H橋輸出結構中，輸入音頻信號及其反相信號同時和三角波比較，產生兩串不同的電壓脈沖加在H橋的兩個半橋上。兩串電壓脈沖的差分脈沖是實際加在揚聲器兩端的電壓脈沖。我們同樣看一下沒有任何音頻輸入信號時的情況。沒有輸入信號時，產生的兩串電壓脈沖同相且均為50%占空比，不會有任何差分脈沖產生，也就不會有任何功率損耗。當輸入信號正向變大時，產生一串正向差分脈沖，揚聲器上會有正向電流流過；當輸入信號反向變大時，則產生一串反向差分脈沖，揚聲器上會有反向電流流過。揚聲器上的電流是在輸入信號變化時根據需要產生的，并不會有多余的功耗被損失掉。

實際的電路中，輸出級和驅動電路總會包含種種的不理想因素，導致放大器輸出產生非線性失真。首先，輸出級晶體管具有非常低的導通電阻，如果上下兩個輸出級晶體管同時導通，會產生一個從VDD到VSS的低阻路徑通過晶體管，從而產生很大的沖擊電流。在電壓脈沖由高變低或由低變高時，極容易發生輸出級晶體管同時導通的情況。因此，避免輸出級晶體管同時導通很重要。為防止該情況發生，必須在一個晶體管導通之前先強制將兩個晶體管都關斷。兩個晶體管都關斷的時間間隔稱為死區時間。死區時間會改變原始PWM脈沖的占空比，并導致放大器輸出產生失真。設計中通常采用最短的死區時間，既防止輸出晶體管同時導通，又能將失真盡可能的減小。另外，輸出脈沖的上升時間和下降時間不匹配，以及輸出級晶體管驅動電路參數不匹配，同樣會改變原始PWM脈沖的占空比，進而同樣在放大器輸出上產生失真。

讓我們再看一下播放音樂時電源上會發生什么情況。電源通過0.2Ω電阻的輸出級晶體管直接連接至揚聲器。實際的電源總是存在一定的內阻，在播放音樂時，電源上會產生兩倍于信號頻率的紋波，紋波幅度會隨電源內阻大小不同而不同。該紋波通過0.2Ω電阻的輸出級晶體管直接耦合到揚聲器，在輸出信號中產生偶次音頻噪聲。從電路角度來看，這種音頻噪聲來自于較差的電源抑制比性能，即通過電源耦合，電源紋波會在放大器輸出上產生高階偶次失真。

為了降低失真，可以采用類似AB類放大器的方式，通過閉環負反饋來提高電路性能。從原理上講，閉環負反饋是通過在比較器前增加噪聲整形濾波器，將放大器輸入輸出間的誤差噪聲整形，衰減音頻范圍內的失真，提高放大器的線性度。這種誤差既來自于輸出晶體管及驅動電路，也來自于電源紋波的直接耦合，因此既提高了放大器的線性度，也提高了放大器的電源抑制比。類比于線性放大器，噪聲整形濾波器實際上為環路在音頻范圍內提供了很大的開環增益。優化設計的閉環D類放大器，可以達到PSRR>60dB和THD<0.1%的良好性能。

PT5306/26是華潤矽威科技近期推出的兩款高性能D類放大器。PT5306為單通道2.5WD類放大器，PT5326是雙通道2.1WD類放大器。這兩款產品均采用閉環負反饋三電平H橋輸出PWM調制結構，輸出端可不使用LC濾波器，直接連接至揚聲器。通過精心設計內部噪聲整形濾波器，達到了良好的性能。從典型測試數據來看，性能參數決不亞于國外同類型產品。如3.6V電源電壓，8歐姆負載，0.5W輸出功率下，1kHz頻率THD+N在0.1%，500Hz頻率THN+N在0.06%。內部集成4個0.25Ω導通電阻的輸出晶體管構成H橋輸出級，在5V電源電壓，8歐姆負載，1W輸出功率下，效率可達88%以上。這兩款產品可廣泛應用于各類便攜式多媒體設備上，如手機、MP3、MP4、數碼相框和小功率USB便攜音箱上。

PT5306/26包含完整的“噼啪聲”抑制方案，以做到安靜的關斷或喚醒放大器。在保護電路方面，PT5306/26也精心集成了過熱和過流保護。盡管D類放大器輸出級功耗遠低于線性放大器，但如果放大器長時間提供非常高的功率，仍會導致器件過熱。為了防止過熱危險，當溫度超過熱關斷安全閾值時，輸出級關斷并保持到器件冷卻下來。另外，如果兩輸出端間短路，會產生巨大的電流，如果不采取保護措施，大電流會損壞輸出級晶體管。因此，需要在輸出晶體管上添加最大電流限制，如果輸出電流超過安全閾值，輸出級自動關斷。

放大器應用時，經常會遇到輸入幅度過大的情況。這種情況會導致放大器輸出達到限幅狀態。處于限幅狀態的閉環調制器，即使輸入信號低至過載輸入幅度以下，調制器輸出仍滯后于輸入信號，長時間處于輸出過載狀態。這種滯后，在輸入大幅度信號時，放大器輸出端會引入額外的非線性。PT5306/26通過精心設計的調制器防過載電路，在調制器過載條件消失后，能快速的跟上輸入信號的變化。

為了避免由于放大器自身噪聲產生的嘶嘶聲，便攜式應用的小功率放大器，通常要求90dB的信噪比。PT5306/26通過精心的優化電路中每一處噪聲源，達到了滿意的信噪比。

PWM調制結構簡單容易實現，但是會產生EMI問題。從原理上講，PWM輸出電壓脈沖在載波頻率的倍頻上包含很大的能量，這些頻率分量會產生大量EMI。如載波頻率500kHz，從PWM輸出脈沖的頻譜上看，30MHz以內載波諧波頻段上能量很大。使用三電平調制可以減少這些頻率分量的幅度。如要進一步的減小這些頻率分量的幅度，可以通過抖頻技術實現。PT5306/26包含抖頻調制技術，通過在一定頻率范圍內不斷變化載波頻率，將30MHz內諧波頻率的能量均分到除音頻范圍外的整個頻帶中。通常，EMI需要考慮對空間的輻射和通過揚聲器及電源線的傳導。D類放大器調制方案決定了傳導和輻射EMI的基線譜。如果需要進一步降低放大器的EMI，可以使用一些板級的設計方法。

D類放大器應用時，應當注意電源端旁路儲能電容CS的選取。放大器工作時，對電源干擾嚴重。如果VDD端的旁路儲能電容選用不合理，放大器會通過干擾電源，進而導致系統其他部分工作不正常。最佳的方案是CS采用表面貼裝的鉭電解電容。如果成本和PCB布板尺寸限制不允許采用鉭電解電容，可以采用0805或0603封裝的貼片陶瓷電容，且電容值在4.7uF以上，可以有效的降低放大器工作時對電源的干擾。

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