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简介

最近几十年来,开关模式音频功放已经成为功放设计的主流。D 类功放以其功耗低、体积小、发热少(尤其与 AB 类对比)而越来越流行与普及。 但在正常音量播放音乐时,其效率仅为 50% 或更低。为解决这些困扰,英飞凌 MERUSTM音频产品设计师开发了一种在各音量水平均高效率的多级 D 类功放。

从 AB 类功放到 D 类功放的是一个技术进步的里程碑。现在,英飞凌的 MERUSTM音频产品设计师又在性能提升方面迈出巨大的一步,从传统的 D 类功放转向多级 D 类功放。这种新的功放非常适合小体积、低散热和/或低功耗的应用,而紧凑且高要求的音频应用的数量也在不断增长,更是需要这种功放。多级 D 类功放在需要小体积、低热量或低功耗的功放应用中表现卓越,包括电池供电的音箱 、音柱 、无线播放器、多空间音响系统、家庭影院系统等应用。

传统 D 类功放

工作原理

图1  传统 D 类输出级

传统 D 类功放的输出级的工作原理如图 1 所示。它包含两个MOSFET(如图 1 中的 M1 和 M2 所示),每个由一个脉宽调制(PWM)信号驱动。该脉宽调制信号的占空比是由输入音频信号调制而来,调制通常设计在控制回路中。

图 1 中的开关节点(VPWM)负责传送放大的 PWM 信号。请注意,LC 滤波器用于在放大的音频信号到达扬声器前使得来自 PWM 信号的音频信号变得平滑。较小的应用不需要该滤波器,例如在音频功放的功率输出较小的手机中,但对于输出功率大于 20 W 的应用则需要 LC 滤波器。

传统 D 类的局限性

由于需要配置 LC 滤波器和散热器而导致需要更多空间和体积

由于需要滤波器而产生的成本

一般音量水平时效率较低

功放正常工作时的散热设计与处理

多级 D 类功放

工作原理

图2  多级输出级

多级 D 类在半桥时输出多个电平等级,以此实现从待机到近待机直至最大功率整体各个功率段的低功耗。

MERUSTM功放产品利用独特的功率级拓扑结构形成放大输出,该拓扑结构的每个半桥功率级拥有四个晶体管或MOSFET,而不是如图 2 所示的传统功放中的两个晶体管,多级输出级非常灵活,可对功放进行配置,在任何应用中实现最优的功率性能。

在单电源供电时,半桥架构可以建立一个多阶电平 PWM 输出。每个半桥使用四个MOSFET(如图 2 中的 M1 到 M4 所示),每个 MOSFET 由一个单独的 PWM 信号驱动。电容器(Cfly),在顶部和底部MOSFET之间"飞跨",由单独的电路持续充电,从而保持一个固定的电压电位。因此,"飞跨电容"可作为额外的电源导轨运行。如此一来,每个半桥功率级在输出开关节点建立一个三电平的输出信号:0 V,½ PVDD 和 PVDD。

图3  多级全桥 (BTL) 输出级

在一个全桥式负载(BTL)配置中(参见图 3),通过使用一个开关模式结合两个三电平半桥来实现,每个半桥开关模式以 90° 相移相对于另一个进行调制,产生的功率级可为差动连接的扬声器负载提供最多 5 个电平的多级调制模式。

由于 PWM 频率较高,各个电压阶跃较小,输出音频信号比传统 D 类功放更加接近输入波形。

图4  全桥接负载五电平输出信号

五电平系统本身在输出节点处的开关频率个开关/MOSFETs的四倍,而差动连接扬声器负载的频带外残留开关噪音也显著减少。由于功放拥有较高的效率和更好的电磁干扰和电磁兼容性控制,因此可以针对无滤波操作进行有效配置。

图4表示一个正弦曲线周期的 BTL 配置中产生的五电平差分输出。

图5  多级功放零状态

在这种情况下,扬声器负载开关频率是半桥输出节点处的MOSFET的开关频率的四倍。同时还需要注意开关模式产生了三种状态(相对于传统 D 类功放只有一种状态),可完全消除带外开关残留噪音,即 -½ PVDD,0 V 和+½ PVDD。在这些状态下,两个半桥输出为 0V 或者它们均产生一个完美"镜像的"50% 占空比输出。

在应用方面,这意味着音频系统输出部分中的纹波电流减少。由于无需抑制带外开关噪音或人为噪音,因此许多应用都不需要共模 LC 滤波器。

减小的波纹电流的影响如图5所示。当标准化为传统 D 类功放的波纹电流时(紫线),三电平或半桥(绿线)和五电平或 BTL (橙线)调制的输出信号的波纹电流显著减小。另外,请注意,三电平和五电平信号的零状态及其所在的点不存在波纹电流。除了本身比较高效的开关原理,由于外部部件中的波纹电流减小导致总体功率损耗也显著减小。

多级 D 类的益处

体积较小
成本较低
对滤波器的依赖程度降低

一般音量时效率提高

通过大幅减少功率损耗的方式降低热量的产生

通过更加精准的信号复制增强音频质量

福利专区

活动时间

2019 年 9 月 26 日 —— 10 月 25 日

参与方式

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