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簡介

最近幾十年來,開關模式音頻功放已經成為功放設計的主流。D 類功放以其功耗低、體積小、發熱少(尤其與 AB 類對比)而越來越流行與普及。 但在正常音量播放音樂時,其效率僅為 50% 或更低。為解決這些困擾,英飛凌 MERUSTM 音頻產品設計師開發了一種在各音量水平均高效率的多級 D 類功放。

 

從 AB 類功放到 D 類功放的是一個技術進步的里程碑。現在,英飛凌的 MERUSTM音頻產品設計師又在性能提升方面邁出巨大的一步,從傳統的 D 類功放轉向多級 D 類功放。這種新的功放非常適合小體積、低散熱和/或低功耗的應用,而緊湊且高要求的音頻應用的數量也在不斷增長,更是需要這種功放。多級 D 類功放在需要小體積、低熱量或低功耗的功放應用中表現卓越,包括電池供電的音箱 、音柱 、無線播放器、多空間音響系統、家庭影院系統等應用。

傳統 D 類功放

工作原理

圖1  傳統 D 類輸出級

傳統 D 類功放的輸出級的工作原理如圖 1 所示。它包含兩個MOSFET(如圖 1 中的 M1 和 M2 所示),每個由一個脈寬調制(PWM)信號驅動。該脈寬調制信號的占空比是由輸入音頻信號調制而來,調制通常設計在控制回路中。

 

圖 1 中的開關節點(VPWM)負責傳送放大的 PWM 信號。請注意, LC 濾波器用于在放大的音頻信號到達揚聲器前使得來自 PWM 信號的音頻信號變得平滑。較小的應用不需要該濾波器,例如在音頻功放的功率輸出較小的手機中,但對于輸出功率大于 20 W 的應用則需要 LC 濾波器。

傳統 D 類的局限性

由于需要配置 LC 濾波器和散熱器而導致需要更多空間和體積

由于需要濾波器而產生的成本

一般音量水平時效率較低

功放正常工作時的散熱設計與處理

多級 D 類功放

工作原理

圖2  多級輸出級

多級 D 類在半橋時輸出多個電平等級,以此實現從待機到近待機直至最大功率整體各個功率段的低功耗。

 

MERUSTM 功放產品利用獨特的功率級拓撲結構形成放大輸出,該拓撲結構的每個半橋功率級擁有四個晶體管或MOSFET,而不是如圖 2 所示的傳統功放中的兩個晶體管,多級輸出級非常靈活,可對功放進行配置,在任何應用中實現最優的功率性能。

 

在單電源供電時,半橋架構可以建立一個多階電平 PWM 輸出。每個半橋使用四個MOSFET(如圖 2 中的 M1 到 M4 所示),每個 MOSFET 由一個單獨的 PWM 信號驅動。電容器(Cfly),在頂部和底部MOSFET之間“飛跨”,由單獨的電路持續充電,從而保持一個固定的電壓電位。因此,“飛跨電容”可作為額外的電源導軌運行。如此一來,每個半橋功率級在輸出開關節點建立一個三電平的輸出信號:0 V, ½ PVDD 和 PVDD。

圖3  多級全橋 (BTL) 輸出級

在一個全橋式負載(BTL)配置中(參見圖 3),通過使用一個開關模式結合兩個三電平半橋來實現,每個半橋開關模式以 90° 相移相對于另一個進行調制,產生的功率級可為差動連接的揚聲器負載提供最多 5 個電平的多級調制模式。

 

由于 PWM 頻率較高,各個電壓階躍較小,輸出音頻信號比傳統 D 類功放更加接近輸入波形。

圖4  全橋接負載五電平輸出信號

五電平系統本身在輸出節點處的開關頻率個開關/MOSFETs的四倍,而差動連接揚聲器負載的頻帶外殘留開關噪音也顯著減少。由于功放擁有較高的效率和更好的電磁干擾和電磁兼容性控制,因此可以針對無濾波操作進行有效配置。

 

圖4表示一個正弦曲線周期的 BTL 配置中產生的五電平差分輸出。

圖5  多級功放零狀態

在這種情況下,揚聲器負載開關頻率是半橋輸出節點處的MOSFET的開關頻率的四倍。同時還需要注意開關模式產生了三種狀態(相對于傳統 D 類功放只有一種狀態),可完全消除帶外開關殘留噪音,即 -½ PVDD, 0 V 和+½ PVDD。在這些狀態下,兩個半橋輸出為 0V 或者它們均產生一個完美“鏡像的”50% 占空比輸出。

 

在應用方面,這意味著音頻系統輸出部分中的紋波電流減少。由于無需抑制帶外開關噪音或人為噪音,因此許多應用都不需要共模 LC 濾波器。

 

減小的波紋電流的影響如圖5所示。當標準化為傳統 D 類功放的波紋電流時(紫線),三電平或半橋(綠線)和五電平或 BTL (橙線)調制的輸出信號的波紋電流顯著減小。另外,請注意,三電平和五電平信號的零狀態及其所在的點不存在波紋電流。除了本身比較高效的開關原理,由于外部部件中的波紋電流減小導致總體功率損耗也顯著減小。

多級 D 類的益處

體積較小
成本較低
對濾波器的依賴程度降低

一般音量時效率提高

通過大幅減少功率損耗的方式降低熱量的產生

通過更加精準的信號復制增強音頻質量

福利專區

活動時間

2019 年 9 月 26 日 —— 10 月 25 日

參與方式

填表下載MERUSTM 多級 D 類音頻功放白皮書,即有機會獲得精美禮品一份。
活動禮品包含羅技鍵鼠套裝、米家無線開關。將于活動結束后隨機抽取34名網友派發禮品。

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