D類音頻功放電路已經(jīng)投入使用數(shù)十年了。 相對于更普遍的線性AB類拓?fù)涠裕?D類功放的效率更高，體積更小。
AB類功放中，輸出電壓等于音箱和軌電壓之差，并且隨音頻信號變換。 所以，其電量損耗就是這個電壓和輸出電流的積。
因為典型的工作效率是30%， 所以AB類輸出端通常需要有散熱器和風(fēng)扇， 特別是其功率超過50W的時候。
相反，在D類功放中， 輸出設(shè)備的轉(zhuǎn)接和傳輸損耗占主導(dǎo)。 這些三極管(一般是工作在飽和狀態(tài)的功率MOSFETs)可以達(dá)到90%以上的工作效率。通過一個無源LC濾波器使電源級的軌至軌輸出平滑，從而復(fù)原音頻信號。
在許多便攜設(shè)備中，D類耳機(jī)功放有助于延長電池壽命和縮小設(shè)備的體積。 在高功率應(yīng)用中， D類拓?fù)淇梢钥s小設(shè)備的體積、重量和成本(通過顯著縮小或者取消散熱片)。
問題，解決方案
某些電路的運轉(zhuǎn)會影響D類音頻性能。其中比較顯著的有:波形轉(zhuǎn)換的上升沿和下降沿的時間、高低級橋接的延遲差別、高低級傳輸間隔中的空載時間還有轉(zhuǎn)換時間的不穩(wěn)定性。
上升沿和下降沿的時間由FET驅(qū)動器的輸出電流的能力和FET的總的柵極電荷決定。空載時間產(chǎn)生了一個取決于信號的增益錯誤，導(dǎo)致了輸出信號的變形。噪聲影響了FET的轉(zhuǎn)接時間，導(dǎo)致信號不穩(wěn)定，從而影響了總諧波失真(THD)和音響效果。
為了降低THD和噪聲，一些半導(dǎo)體廠商(比如:International Rectifier)提供了固體驅(qū)動器， 它能以±100V的電壓提供1A或者更高的柵極驅(qū)動電流來驅(qū)動半橋拓?fù)溥_(dá)到500W功率級，而這種設(shè)計只有8ohm的阻抗。
這些驅(qū)動器可以包含在高低級轉(zhuǎn)接器間的最大20ns的激光微調(diào)吞吐量匹配的功能。
最近， 生產(chǎn)廠商開發(fā)了一種驅(qū)動器， 它采用可編程修正空載時間來同時解決THD的三個來源問題:空載時間精度、延遲匹配和轉(zhuǎn)接不穩(wěn)定度。對這些器件來說，激光微調(diào)不但可以修正空載時間到幾個離散的時間區(qū)段，而且從根本上消除了對延遲匹配的需求。
驅(qū)動器關(guān)掉一個FET之后，在它打開相對的轉(zhuǎn)接器之前，通過一個強(qiáng)制編程的空載時間最大限度地降低了轉(zhuǎn)接信號的不穩(wěn)定性。 在這期間，系統(tǒng)排除了那些可能會影響轉(zhuǎn)接時間的噪聲信號。
空載時間的可編程性讓用戶可以設(shè)定驅(qū)動時間來滿足電路的橋FET的需求。對于給定的拓?fù)洌?功放設(shè)計者為了盡可能地提高輸出功率， 不得不使用更大的橋FET，而這些橋FET的柵極總電荷也更大。對于給定的柵極驅(qū)動電流，功放越大需要的空載時間也就越長。
圖1:IC柵極驅(qū)動器有益于簡化D類功放設(shè)計并且其THD+N性能指標(biāo)達(dá)到了最優(yōu)的AB類功放
最普遍客觀的功放性能評估就是THD-plus-noise (THD+N)測量。擁有上面提到的特征的D類驅(qū)動IC配合以謹(jǐn)慎的layout就會得到一個優(yōu)秀的THD+N指標(biāo)。
這種驅(qū)動器是一個400kHz的配有一個連接轉(zhuǎn)換節(jié)點的反饋路徑的自激振蕩設(shè)計。其THD+N指標(biāo)相當(dāng)于或優(yōu)于某些高端AB類功放得到的最好成績。
故障保護(hù)
音頻功放設(shè)計的挑戰(zhàn)性問題之一就是故障保護(hù)，特別是針對在系統(tǒng)安裝或再調(diào)試的過程中引起的輸出短路的過載(OC)條件。離散健全保護(hù)系統(tǒng)使用分區(qū)評分(scores of parts)，這樣可以節(jié)省板面空間但是卻會影響可靠性。如果希望它們在電路正常運行中保持聲透狀態(tài)的話，那就需要一定的附加工程量。
圖2:IC驅(qū)動器提供了可配置的過載斷電保護(hù)，低壓斷電保護(hù)和一個浮動的前端界面
通過同時在高級和低級轉(zhuǎn)接器里加入可編程過載保護(hù)，半橋驅(qū)動器可以增強(qiáng)保護(hù)功能，加強(qiáng)聲透性，并且可以降低功放設(shè)計風(fēng)險和周期。
保護(hù)電路使用每個轉(zhuǎn)接器的RDS(on)作為電流感應(yīng)單元。因此，只需再外加一些設(shè)計即可完成過載保護(hù)。圖3展示了過載保護(hù)的工作狀態(tài)。當(dāng)過載發(fā)生時，輸出被中斷。輸出電感安全地釋放了它所存儲的能量并且輸出端電壓始終保持在0V。
UVLO(低壓斷電)是另外一個重要的保護(hù)特征。如果電源低于IC的最小工作電壓，它就無法驅(qū)動?xùn)艠O，這樣就在橋FETs里產(chǎn)生了直通電流。
在這些條件下，驅(qū)動器的UVLO關(guān)閉兩個柵極。為了實現(xiàn)低壓保護(hù)，驅(qū)動器IC通過VB和VS管腳來測知高端軌的柵極驅(qū)動控制功率，對低端軌來說則是通過VCC和COM管腳。
圖3:過載斷電保護(hù)(臨界特征)順利地為濾波器電感放電與此同時保證輸出零電壓
功放設(shè)計者可以通過CSD管腳來給驅(qū)動器的錯誤響應(yīng)編程。這個管腳提供5個功能:自回復(fù)定時器、斷電、鎖存保護(hù)、斷電狀態(tài)輸出和上電延遲定時器。
自回復(fù)定時器通過一個外部時間電容來設(shè)定斷電間隔，超出這個時間間隔，驅(qū)動器會重新啟動。這個功能還提供了一個上電延遲以便于在功放開始驅(qū)動音箱之前來穩(wěn)定供電水平。
CSD腳可以作為一個遠(yuǎn)程斷電信號輸入端。如果一個外部器件，例如一個開漏微控制器的I/O管腳把CSD腳拉低，那么驅(qū)動器就會關(guān)閉。一旦這個外部器件釋放了這個管腳，那么則有一個內(nèi)部的電流源重新將外部的時間電容充電到之前的狀態(tài)。
故障保護(hù)鎖可以通過電阻和FET實現(xiàn)。它在驅(qū)動器重啟之前需要一個明確的復(fù)位信號。只要在鎖存狀態(tài)電路里加一些設(shè)計就可以為鎖存電路增加一個故障狀態(tài)信號的輸出功能。
浮動點控制
如果聲音的改善和集成的故障保護(hù)還不夠的話，今天的D類驅(qū)動器還提供了浮動點控制輸入。這個結(jié)構(gòu)大幅簡化了功放和系統(tǒng)前端的交流。
這個IC突出了三個分離壓阱的特點;其襯底作為低端軌的COM，高端軌對應(yīng)VS，浮動點輸入則對應(yīng)于VSS。 控制電路可以以系統(tǒng)地端或者低軌為準(zhǔn)。這個IC包含了五級移相器:三個通訊保護(hù)電路信號;兩個柵極驅(qū)動信號。圖2展示了三個分離壓阱和5級移相器。
DirectFET的應(yīng)用
在任何一個高頻系統(tǒng)里，低layout和低器件干擾是達(dá)到高性能的基礎(chǔ)。 DirectFET MOSFETs沒有導(dǎo)線接頭并且導(dǎo)線電感很小。
這種DirectFET器件降低了柵極和導(dǎo)電電路電感。小的柵極電路電感降低了轉(zhuǎn)接延遲。比較低的源漏封裝電感相比TO-220封裝產(chǎn)生了更大的dV/dt而EMI更小。 DirectFET封裝提供了低熱抗和雙面冷卻的好處，這樣就簡化了熱學(xué)設(shè)計。
優(yōu)化轉(zhuǎn)接器的參數(shù)可以得到最大的工作效率。供電部分的大小和成本隨著轉(zhuǎn)接頻率的提升而下降。在圖1中，一個單級雙元LC輸出濾波器給出了它在400kHz的結(jié)果。
實際應(yīng)用中最好的MOSFET不一定要有最低的RDS(on)。頻率提高的時候，轉(zhuǎn)接損失成為了一個不可忽視的因素。因此，設(shè)計者一定要在總柵極電荷和RDS(on)之間找到一個最好的平衡。
圖1的結(jié)果還取決于低MOSFET封裝電感。這個120W，4OHM的設(shè)計既不需要散熱片也不需要風(fēng)扇。今天，針對D類應(yīng)用的MOSFETs兼容了高壓和高轉(zhuǎn)接頻率。 |
