简化便携式低功耗音频电路设计 — D 类放大器

作者:Art Pini

投稿人:Digi-Key 北美编辑

本文将解释各种类型音频放大器之间的差异,详细介绍 D 类放大器的工作原理,并说明它们如何提高能效以及降低功率要求和缩小尺寸。

对于手持设备和便携式物联网设备而言,所采用的音频电路需要具有低功率、小尺寸和低散热的重要特性。但是,音频放大器通常是低效的发热器,需要笨重的散热器。为了缩小尺寸和降低功率要求,D 类或数字放大器提供了一种不错的解决方案。

D 类放大器之于音频播放的优点正如开关模式电源之于电源的优点。借助 D 类放大器,音频输入被编码为脉冲宽度调制 (PWM) 信号,可在开关电平之间驱动功率装置,并且仅在转换期间耗散功率。

这些“数字”放大器大大提高了音频放大器的能效,从而降低了散热,并缩小了物理尺寸。此外,最近的技术发展改变了调制方案,因此输出端不再需要低通滤波器,从而进一步缩小尺寸和降低复杂性。

模拟功率放大器

模拟功率放大器的发展一直侧重于提高保真度,同时提升放大器能效。根据工作点或偏置点以及导通时输入信号周期的百分比,放大器可分为 A、B、AB 或 C 类放大器(图 1)。

A、B、AB 和 C 类模拟放大器的工作偏压和信号传导示意图

图 1:A、B、AB 和 C 类模拟放大器的工作偏压和信号传导。(图片来源:Digi-Key Electronics)

A 类放大器(左上)在输入信号的整个周期内导通。其偏置点位于输入-输出工作特性的中点。信号保真度出色,但由于放大器始终处于开启状态,即使没有输入信号,能效也通常较低。

B 类(左下)放大器旨在通过在截止频率下偏置放大器来提高能效。放大器仅导通半个输入周期。通常,电路配置为推挽拓扑,以放大正输入和负输入转换。在没有信号的情况下,放大器不会导通,从而提高了能效。由于在输入极性的转换点处可能发生交越失真,从而造成保真度损失,因此会抵消这一优势。

若要解决交越失真问题,可以稍微向上移动放大器的偏置点。这样就产生了 AB 类放大器(右上)。此类放大器通常也用于推挽式配置。AB 类放大器是音频电源应用中最常见的类型。

C 类放大器(右下)设计用于在输入周期的很小一部分上导通。它的特点是能效高,但保真度差。这些放大器适用于射频功率设计,其中输出负载是谐振电路,可恢复正确的波形。

有关提高这些模拟放大器能效的策略主要侧重于:将放大器的导通相位降至尽可能最短的持续时间,如 C 类放大器所示。

D 类基础知识

D 类放大器采用不同的方法,其工作方式与开关模式电源非常相似(图 2)。

D 类放大器将模拟输入转换为 PWM 波形的示意图

图 2:D 类放大器将模拟输入转换为 PWM 波形,以完全打开或关闭 FET 开关。输出低通滤波器可恢复扬声器的模拟波形。(图片来源:Digi-Key Electronics)

D 类放大器将输入模拟信号转换为脉冲宽度调制 (PWM) 波形。PWM 波形为每个脉冲完全打开或关闭推挽式 FET 输出级。当其中一个 FET 导通时,通过它的电流很高,但其上的电压非常低,因此仅在导通和关断状态之间的短暂转换期间消耗功率。同样,当该 FET 关断时,两端的电压很高,但电流接近零。此时,除了状态转换之外也没有功率耗散。

通过将模拟波形应用于比较器的一个输入,同时以所需开关频率将三角波形或斜坡波形应用于另一个输入,即可完成模拟波形到 PWM 波形的转换(图 3)。上方迹线代表输入波形,在本例中为 10 千赫兹 (kHz) 正弦波,其应用于比较器的一个输入。中间迹线是 250 kHz 三角波,其应用于比较器的另一个输入。比较器输出是下方迹线中显示的 PWM 波形。脉冲宽度随着输入信号的幅度而变化。

使用输入信号和三角函数或斜坡函数从模拟输入创建 PWM 信号的图片

图 3:从模拟输入创建 PWM 信号需要输入信号(上方)和三角函数或斜坡函数(中间)。然后将两者应用于比较器的输入以产生 PWM 信号,其中脉冲宽度根据输入信号幅度(下方)而变化。(图片来源:Digi-Key Electronics)

FET 推挽功率级的输出也是 PWM 信号。这适用于简单的电感器-电容器 (L-C) 低通滤波器,以恢复放大的模拟波形。三角波的频率必须远高于低通滤波器的转折频率。

PWM 的替代方案是脉冲密度调制 (PDM)。PDM 使用一系列短持续时间的矩形脉冲,脉冲密度会发生变化,与模拟输入幅度存在函数关系。它使用三角积分调制生成。

D 类放大器的增益受总线电压的影响。虽然电源抑制比欠佳,但可以通过使用放大器周围的反馈进行校正。此情形如图 2 的框图所示,其中反馈来自滤波器输入。

D 类放大器的主要优点是能效高达 90% 左右。这远胜于最接近的模拟竞争对手 AB 类放大器(能效为 50% 至 70%)。

高能效可实现更小的物理尺寸,并且可能无需使用散热器和冷却风扇。当应用于便携式设备时,更高的能效意味着更长的电池寿命。能效直接随输出功率水平而变化,并随功率下降而下降。

D 类放大器拓扑结构

D 类放大器通常使用两种拓扑结构,其中较为简单的结构是图 4 所示的半桥电路。

两种常用 D 类拓扑结构(半桥和全桥配置)的示意图

图 4:两种常用的 D 类拓扑结构是半桥和全桥配置。(图片来源:Digi-Key Electronics)

全桥拓扑结构称为桥接式负载 (BTL),其优势是在供电电压与半桥配置相同时,可提供更高的输出功率。半桥的滤波器输入在正或负电源轨间摆动,而 BTL 电路在正负轨之间具有负载,同时使应用到负载的电压翻倍,从而使功率输出翻了四倍。BTL 操作还允许使用单个单极电源。

无滤波 D 类放大器

借助称为 AD 调制的传统 D 类开关系统,占空比可调制矩形波形,使其平均值对应于输入模拟信号电压。BTL 输出相互补充。输出中没有明显的共模开关内容。但是,由于 PWM 开关的平均值缘故,存在共模直流电压。由于此直流电压电平应用到负载两侧,因此不会增加其两端的功率耗散。

在没有输入的情况下,放大器以其标称 PWM 频率开关,应用于负载的占空比为 50%。这导致负载中有明显的电流流动和功率耗散。为了提高能效,需要使用 L-C 滤波器将电流降低到“纹波”。由于减少了负载耗散和输出 FET 的 RDS(on) 导通损耗,因此纹波电流越低,能效越高。

一种替代调制方案(通常称为 BD 或无滤波器调制)使用开关系统来调制输出信号差异的占空比,以便使其平均值与输入模拟信号匹配。BTL 输出在待机时彼此同相,而不是互补。这导致负载两端的电压差为零,从而无需滤波器即可最大程度地降低静态功耗。BD 调制在其输出中具有明显的共模内容。该调制方案依赖于扬声器的固有电感和人耳的带通滤波器特性来恢复音频信号。

D 类放大器集成电路

Texas Instruments  TPA3116D2DADR 是一款 D 类立体声放大器,能效 > 90%,支持多路输出功率配置,其中包括 2 条到 21 伏、4Ω BTL 负载的 50 瓦通道。该系列中的其他型号支持 2 条到 24 伏、8 Ω 的 30 瓦通道,以及 2 条到 15 伏、8 Ω 的 15 瓦通道。只有最高功率装置才需要散热器。

这些装置支持高达 1.2 MHz 的开关频率,可避免 AM,以防止干扰。AD 或 BD 调制方案可通过单个输入控制进行选择。它包括集成自保护电路,包括过压、欠压、过热、DC 检测和短路,具有错误报告功能。下面使用 TI 的 TINA-TI 仿真工具显示了典型配置(图 5)。

Texas Instruments TPA3116D2DADR D 类立体声放大器仿真的图片(点击放大)

图 5:TI TPA3116D2DADR D 类立体声放大器仿真,其中显示 BD 调制的原始 (VM3) 和滤波 (VM1) 输出波形。(图片来源:Digi-Key Electronics)

该电路使用单个 12 伏电源,输出功率为 12.5 瓦到 4 Ω。虚拟示波器显示原始数字输出 (VM3) 以及滤波输出 (VM1)。

Texas Instruments TPA3126D2DAD 是 TPA3116D2 系列的性能升级。该器件与旧式 IC 为引脚对引脚兼容,并采用专有混合调制方案,将待机电流降低 70%,从而实现了很大改进。该方案降低了低功率水平下的待机电流,从而延长电池寿命。

在设计 D 类放大器时,需要多加留意低功耗操作。如前所述,能效与功率水平成正比,而低功率水平通常意味着能效较低。Texas Instruments TPA2001D2PWPR 是一款属于第三代 D 类设计的每通道 1 瓦的立体声 D 类放大器。它具有更低的电源电流、更低的本底噪声和更高的能效。由于围绕 D 类无滤波器调制方案而设计,无需输出滤波器,从而为设计人员节省部件成本和板空间。它可以使用 5 伏电源提供到 8 Ω 的每通道 1 瓦以上的功率。

参考设计可用作评估板 TPA2001D2EVM,形成即插即用的 D 类音频放大器(图 6)。

基于 TPA2001D2 D 类放大器的每通道 1 瓦立体声放大器的示意图

图 6:基于 TPA2001D2 D 类放大器的每通道 1 瓦的立体声放大器。(图片来源:Texas Instruments)

该放大器采用 BTL 拓扑结构,基本为自足式,仅需少量外部元器件。

总结

对于便携式和电池供电设计,D 类放大器以小封装提供低损耗和极高的功率效率。现成的 IC 可以快速方便地应用这些放大器,并且最近的技术进步减少了对滤波器的需求,使它们成本更低和更紧凑。

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关于此作者

Art Pini

Arthur (Art) Pini 是 Digi-Key Electronics 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验,曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣,在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。

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