有关应对D类放大器设计挑战的可升级方案

作者：Jun Honda 国际整流器公司信息来源:电子工程专辑 2008-4-21

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从家庭影院到有源音箱的高性能音频设备设计师发现D类放大器由于节省空间而极具吸引力。遗憾的是，这些设计师对于D类放大器中所用的PWM开关放大器概念不够熟悉，因为他们的经验深深地根植于AB类放大器这样的线性拓扑结构。一个精心调整和良好保护的PWM开关电路能够可靠地执行上述操作。但是一个具有小小错误或非理想参数的设...

从家庭影院到有源音箱的高性能音频设备设计师发现D类放大器由于节省空间而极具吸引力。遗憾的

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些设计师对于D类放大器中所用的PWM开关放大器概念不够熟悉，因为他们的经验深深地根植于AB类放大器这样的线性拓扑结构。

他们面临的挑战与功率晶体管的开关工作模式有关，这种模式要求彻底导通或彻底关断。一个精心调整和良好保护的PWM开关电路能够可靠地执行上述操作。但是一个具有小小错误或非理想

数的设计很容易导致原型的彻底失败。当放大器自毁后，很难查清具体的原因。因此更正错误会为项目开发增加大量的时间和成本。

为了加快D类放大器的设计，

际整流器公司(IR)将四个主要的D类放大器构建模块集成为一个单芯片解决方案(见图1)。通过将误差放大器、PWM比较器、栅极驱动级电路和过载保护功能结合到一起，IRS2092可以通过快速优化来提升终端产品的性能和灵活性。

具有噪声隔离功能的误差放大器

音频放大器的主要指标是噪声和总谐波失真(THD)。在D类放大器中，影响这些指标的因素包括有限的开关时间、过冲/欠冲以及电源波动。改善这些因素需要提高误差放大器的性能。误差放大器用于比较输出音频信号与输入音频信号，并根据比较结果校正输出级电路中的这些缺陷。

D类放大器的噪声环境所要求的特性与A类或A/B类设计中所要求的不一样，因此要找到一个合适的运算放大器是一件复杂且耗时的过程。IRS2092中集成了一个优化的运算放大器，具有较高的噪声抑制能力，带宽为5MHz，在图2所示的设计实例中实现了0.005%的THD。

噪声隔离

D类放大器拓扑结构要求前后端靠得很近。在分立实现方案中，设计师必须确定如何将对噪声敏感的模拟输入部分与大信号输出级中的有害开关噪声隔离开来。

图1：IRS2092单芯片解决方案

图2：THD+N比与输出功率的关系

而在单芯片方案中，最艰巨的挑战包括如何实现上述两种电路之间足够的电气隔离。IRS2092采用了专有的半导体结隔离方法，确保了噪声隔离指标。

PWM比较器和电平转换

一旦误差放大器对输入音频信号处理后输出形状与输入信号成比例的信号，比较器就会将该模拟信号转换成一个脉冲宽度调制(PWM)信号。

IRS2092的PWM比较器将模拟信号转变成PWM信号时，传播延迟很小，因此在优化反馈环路设计时具有较大的灵活度。

下一个挑战是将PWM信号从安静的误差放大器电路输送到噪声较大的开关级电路。此时会有一个高电压电平转换器将数字信号转换到一个不同的浮动电位上，因此不管两边的电压差如何都能准确地传送PWM信号，就像一个理想的差分放大器那样。

栅极驱动和MOSFET开关级电路

栅极驱动级电路接收来自比较器、参考电平为地电平的PWM信号，并对该信号进行低电平转换，形成分别以高端和低端MOSFET的源极为参考电平的栅极驱动信号。在栅极驱动级，在每个ON状态之间插入一个死区时间，以防止在高端和低端MOSFET中同时出现ON状态。

精确的门控制是获得优质音频性能的关键。栅极驱动器的脉冲宽度失真必须很小，应该在高端和低端栅极驱动级之间达到完全匹配。这两项属性都很关键，能将死区时间减到最小，从而改进放大器的线性度。

死区时间插入

死区时间插入是D类放大器的开关级电路设计中最为关键的部分。通过调整MOSFET有限的开关转换时间，死区时间可以防止冲击直通，从而确保放大器的安全工作。但是，这也会产生非线性，从而导致意外失真。设计师常常不得不在THD性能和安全余量之间采取折中。

IRS2092内置了死区时间控制，设计师可以根据所选的MOSFET来选择死区时间宽度。相对于外部死区时间控制设计，集成式死区时间插入的宽度是有保证的，设计师无需估计最坏情况。

过载保护

由于MOSFET的功率耗散正比于负载电流的平方，保护电路通常监控负载电流来防止MOSFET在过流情况下失效。通常采用一个外部分流电阻来检测负载电流，但电阻选择和噪声滤波等因素非常关键，可能会增加整个设计的开发时间、成本和物理尺寸。

保护电路还要求支持对功率级中关键电流环路路径中的杂散电感所引起的额外开关噪声进行补偿校正。

在集成式构建模块芯片中，内置过载保护取决于MOSFET的通态电阻。集成式电路监控输出电流，当超过预设门限时将切断PWM。另外，MOSFET通态电阻较大的正温度系数随着结温的升高会降低过流门限，从而增强了放大器的安全性。

结论：即插即用型可升级的Ｄ类放大器

通过上述四个关键功能的集成，IRS2092提供了一个即插即用型D类放大器解决方案，它已经实现了非常重要的受保护的PWM开关级电路。它的高集成度解决了许多设计挑战，而且还具有很大的灵活性，允许工程师定制某些功能来满足特定的设计需求。

调整放大器使其提供不同的输出功率电平或者实现不同数量的通道同样非常容易，只需选择合适的外部MOSFET对，并相应调整死区时间以及过载保护门限。外部MOSFET还能让工程师优化EMI和效率来满足应用要求。

最后，完备的可升级能力还允许在多个产品中共享一个公共基础设计，并且IRS2092将随着终端产品的发展而不断缩减其成本和上市时间。