ot;display: block;">目前隨著便攜式消費類電子產(chǎn)品(手機、MP3、便攜式GPS等等)的日益流行,人們對電池工作時間的要求也越來越高。這樣以效率高,失真小為特點的D類放大器就開始廣泛地應用于這些產(chǎn)品當中。對于小功率音頻產(chǎn)品,如手機、MP3、MP4等,使用D類放大器可以延長電池的使用壽命;對于大功率音頻產(chǎn)品,如多媒體音箱、功放等,使用D類放大器可以省去
散熱片和使用小規(guī)格的變壓器,在節(jié)能環(huán)保的同時也降低了產(chǎn)品的總體成本。
一向以創(chuàng)新而著稱的埃派克森微電子(Apexone)涉足D類放大器市場后,先后推出了兩款代表產(chǎn)品——A7003和A7013。A7003是雙通道12W D類放大器,而A7013是單通道 D類放大器。這兩款D類放大器相對其他同類產(chǎn)品,由于其獨特的架構和優(yōu)化設計,性能上有了很大的提升。
埃派克森D類放大器的工作原理
與傳統(tǒng)的AB類不同的是,D類音頻放大器不是利用功率晶體管的線性工作區(qū)特性來放大音頻信號,而是利用電壓比較、脈寬調(diào)制等技術來放大音頻信號,故有人也稱D類放大器叫做數(shù)字功率放大器。
D類放大器將音頻輸入信號同高頻率的三角波(或鋸齒波)信號進行電壓比較,將音頻信號的振幅調(diào)制成脈沖寬度,即脈寬調(diào)制(PWM),之后將PWM信號輸出到CMOS晶體管的柵極,用以控制CMOS晶體管的導通和關閉,同時也在這個階段對輸出脈沖的功率進行放大, 最后將CMOS晶體管的輸出信號連接到LC低通濾波器,將高頻的PWM信號濾掉,從而還原放大后的音頻信號。理論上D類放大器的效率是100%。
不同于其它公司的D類放大器, 埃派克森的A7003采用兩極負反饋,即除了芯片內(nèi)部輸出級負反饋以外,在外圍濾波器輸出處又增加了一級負反饋到芯片內(nèi)部,組成一個雙閉環(huán)電路(如圖1所示),這樣做雖然增加了芯片設計難度,但卻大大降低了因外圍元器件的非線形而造成的失真。A7003的THD+N在1W輸出時達到%,遠低于同類產(chǎn)品。
PWM載波頻率的選擇一般選擇10倍以上的最大音頻信號。一般人耳可識別的音頻范圍是20Hz-20kHz,因此,載波頻率一般在200kHz以上。當CMOS晶體管以載波頻率快速導通關斷時,可能導致上下橋臂的CMOS晶體管直接導通,產(chǎn)生較大的沖擊電流,影響芯片的溫度,甚至燒壞芯片。為了避免這樣的情況發(fā)生,一般采用在導通時序上增加死區(qū)時間來規(guī)避,在上橋臂關閉后,隔一段時間后才打開下橋臂,如圖3。
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圖1:埃派克森D類放大器工作原理框架圖。
圖2:脈寬調(diào)制的原理圖。
圖3:輸出控制時序的死區(qū)時間。
上述PWM的控制方法在沒有音頻信號輸入的時候,會輸出占空比為50%,相位相差180度的脈沖信號,設計不好會導致輸出級產(chǎn)生直流偏置電壓,不僅增加了輸出級的功率損耗,同時還會影響喇叭的動態(tài)響應。為了解決這個問題,埃派克森D類放大器采用相位相同的PWM輸出波形,在無輸入信號的情況下,輸出級輸出50%占空比、相位相同的PWM,如圖4所示。當有信號輸入時,輸出級一端占空比增加,而另一端占空比減少。通過輸出PWM信號占空比的不斷變化,在負載上產(chǎn)生不同的電壓,如圖5所示。
圖4:無輸入信號時PWM波形。
圖5:有輸入信號時PWM波形 。
埃派克森D類放大器的高效率
D類放大器的效率理論上可以達到100%,但實際上由于CMOS晶體管不是理想的開關,導通時的阻抗并不為0,因此輸出級的等效電路圖如圖6。
圖6:輸出級的等效電路圖。
那么,效率的計算公式應該是:.
假設CMOS晶體管導通電阻是0.3Ω,那么如果輸出接4Ω的喇叭,其效率大概在87%左右；如果輸出接8Ω的喇叭,其效率為93%。當然,除了導通電阻的損耗以外,還有前面提到的開關損耗,以及偏置電流損耗,輸入電容充電損耗等等,所以一般的D類放大器在8Ω負載時效率為85%左右。但即便是這樣,D類放大器的效率仍要比目前市場上廣泛采用的AB類放大器效率高很多。
正因為其高效率,對于要求輸出10W功率的時候,D類放大器只需要電源提供12W左右的功率,而AB類則需要電源提供20W左右的功率。這樣選用D類放大器就可以選擇相對較小的電源。同時,由于D類放大器的高效率,只有小部分的功率轉換為熱損耗,這樣可以適當減少散熱片的尺寸,甚至不用散熱片。
圖7:D類放大器與AB類放大器的效率比較。
圖8 :A7013EMI測試結果。
圖9:埃派克森的 架構。
埃派克森的A7003在設計時將晶體管導通電阻進一步降低,提高了效率,在雙通道12W滿功率持續(xù)工作時都無需散熱片。
高效率對延長那些利用電池供電的便攜設備(手機、MP4等)的待機時間具有重要意義,埃派克森的A7013在接8Ω喇叭的情況下,可以達到92%的效率。在實際應用中,與相同功率級別的主流AB類放大器4990相比,在同等條件下,經(jīng)測試A7013可以比4990延長41%的工作時間。
埃派克森D的放大器的EMI設計
由于D類放大器的載波頻率較高,處理不當?shù)脑?會產(chǎn)生大量的高頻諧波分量,甚至干擾其他設備的正常工作。尤其對帶AM收音功能的設備,由于收音機的AM頻段是525K到1600KHz之間,D類放大器的載波頻率和它很接近,因此可能導致AM頻段無法收音或有雜音干擾。
另外,對于小功率的D類放大器,大部分都采用了無濾波器設計,這種設計省去了輸出級的濾波電感,利用喇叭本身的電感做濾波回路。這樣做雖然降低了產(chǎn)品的總體成本,但喇叭引線會引起EMI輻射。
埃派克森的A7013由于其采用了擁有自主專利EFS架構,優(yōu)化了前級比較電路,同時比一般Class D架構多一級反饋電路,它對外界的EMI干擾非常小,在實際應用中無需磁珠和其他特別設計,可以富有余量地通過FCC的EMI標準。
除此而外,EFS架構還提升了芯片的整體性能,減少了失真,使得PSRR和CMRR達到了81dB和82dB。詳情可見表1的A7013與市場主要產(chǎn)品性能比較表。
正因為D類放大器的高效率,小尺寸的特點,D類放大器正在逐步取代傳統(tǒng)的線性放大器,廣泛的應用到手機,LCD TV等領域。
表1.埃派克森A7013與主要同類產(chǎn)品性能比較
郭輝
埃派克森微電子公司
