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國(guó)際整流器公司主要負(fù)責(zé)如何利用最新的集成芯片幫助設(shè)計(jì)師有效應(yīng)對(duì)與實(shí)現(xiàn)D類(lèi)放大器電路相關(guān)的諸多挑戰(zhàn)。
從家庭影院到有源音箱的高性能音頻設(shè)備設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)D類(lèi)放大器由于節(jié)省空間而極具吸引力。遺憾的是,這些設(shè)計(jì)師對(duì)于D類(lèi)放大器中所用的PWM開(kāi)關(guān)放大器概念不夠熟悉,因?yàn)樗麄兊慕?jīng)驗(yàn)深深地根植于A(yíng)B類(lèi)放大器這樣的線(xiàn)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
他們面臨的挑戰(zhàn)與功率晶體管的開(kāi)關(guān)工作模式有關(guān),這種模式要求徹底導(dǎo)通或徹底關(guān)斷。一個(gè)精心調(diào)整和良好保護(hù)的PWM開(kāi)關(guān)電路能夠可靠地執(zhí)行上述操作。但是一個(gè)具有小小錯(cuò)誤或非理想?yún)?shù)的設(shè)計(jì)很容易導(dǎo)致原型的徹底失敗。當(dāng)放大器自毀后,很難查清具體的原因。因此更正錯(cuò)誤會(huì)為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)增加大量的時(shí)間和成本。
為了加快D類(lèi)放大器的設(shè)計(jì),國(guó)際整流器公司(IR)將四個(gè)主要的D類(lèi)放大器構(gòu)建模塊集成為一個(gè)單芯片解決方案(見(jiàn)圖1)。通過(guò)將誤差放大器、PWM比較器、柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)電路和過(guò)載保護(hù)功能結(jié)合到一起,IRS2092可以通過(guò)快速優(yōu)化來(lái)提升終端產(chǎn)品的性能和靈活性。
具有噪聲隔離功能的誤差放大器
音頻放大器的主要指標(biāo)是噪聲和總諧波失真(THD)。在D類(lèi)放大器中,影響這些指標(biāo)的因素包括有限的開(kāi)關(guān)時(shí)間、過(guò)沖/欠沖以及電源波動(dòng)。改善這些因素需要提高誤差放大器的性能。誤差放大器用于比較輸出音頻信號(hào)與輸入音頻信號(hào),并根據(jù)比較結(jié)果校正輸出級(jí)電路中的這些缺陷。
D類(lèi)放大器的噪聲環(huán)境所要求的特性與A類(lèi)或A/B類(lèi)設(shè)計(jì)中所要求的不一樣,因此要找到一個(gè)合適的運(yùn)算放大器是一件復(fù)雜且耗時(shí)的過(guò)程。IRS2092中集成了一個(gè)優(yōu)化的運(yùn)算放大器,具有較高的噪聲抑制能力,帶寬為5MHz,在圖2所示的設(shè)計(jì)實(shí)例中實(shí)現(xiàn)了%的THD。
噪聲隔離
D類(lèi)放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求前后端靠得很近。在分立實(shí)現(xiàn)方案中,設(shè)計(jì)師必須確定如何將對(duì)噪聲敏感的模擬輸入部分與大信號(hào)輸出級(jí)中的有害開(kāi)關(guān)噪聲隔離開(kāi)來(lái)。
圖1:IRS2092單芯片解決方案。
圖2:THD+N比與輸出功率的關(guān)系。
而在單芯片方案中,最艱巨的挑戰(zhàn)包括如何實(shí)現(xiàn)上述兩種電路之間足夠的電氣隔離。IRS2092采用了專(zhuān)有的半導(dǎo)體結(jié)隔離方法,確保了噪聲隔離指標(biāo)。
PWM比較器和電平轉(zhuǎn)換
一旦誤差放大器對(duì)輸入音頻信號(hào)處理后輸出形狀與輸入信號(hào)成比例的信號(hào),比較器就會(huì)將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。
IRS2092的PWM比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成PWM信號(hào)時(shí),傳播延遲很小,因此在優(yōu)化反饋環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)具有較大的靈活度。
下一個(gè)挑戰(zhàn)是將PWM信號(hào)從安靜的誤差放大器電路輸送到噪聲較大的開(kāi)關(guān)級(jí)電路。此時(shí)會(huì)有一個(gè)高電壓電平轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換到一個(gè)不同的浮動(dòng)電位上,因此不管兩邊的電壓差如何都能準(zhǔn)確地傳送PWM信號(hào),就像一個(gè)理想的差分放大器那樣。
柵極驅(qū)動(dòng)和MOSFET開(kāi)關(guān)級(jí)電路
柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)電路接收來(lái)自比較器、參考電平為地電平的PWM信號(hào),并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行低電平轉(zhuǎn)換,形成分別以高端和低端MOSFET的源極為參考電平的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在柵極驅(qū)動(dòng)級(jí),在每個(gè)ON狀態(tài)之間插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間,以防止在高端和低端MOSFET中同時(shí)出現(xiàn)ON狀態(tài)。
精確的門(mén)控制是獲得優(yōu)質(zhì)音頻性能的關(guān)鍵。柵極驅(qū)動(dòng)器的脈沖寬度失真必須很小,應(yīng)該在高端和低端柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)之間達(dá)到完全匹配。這兩項(xiàng)屬性都很關(guān)鍵,能將死區(qū)時(shí)間減到最小,從而改進(jìn)放大器的線(xiàn)性度。
死區(qū)時(shí)間插入
死區(qū)時(shí)間插入是D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)級(jí)電路設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。通過(guò)調(diào)整MOSFET有限的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間,死區(qū)時(shí)間可以防止沖擊直通,從而確保放大器的安全工作。但是,這也會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性,從而導(dǎo)致意外失真。設(shè)計(jì)師常常不得不在THD性能和安全余量之間采取折中。
IRS2092內(nèi)置了死區(qū)時(shí)間控制,設(shè)計(jì)師可以根據(jù)所選的MOSFET來(lái)選擇死區(qū)時(shí)間寬度。相對(duì)于外部死區(qū)時(shí)間控制設(shè)計(jì),集成式死區(qū)時(shí)間插入的寬度是有保證的,設(shè)計(jì)師無(wú)需估計(jì)最壞情況。
過(guò)載保護(hù)
由于MOSFET的功率耗散正比于負(fù)載電流的平方,保護(hù)電路通常監(jiān)控負(fù)載電流來(lái)防止MOSFET在過(guò)流情況下失效。通常采用一個(gè)外部分流電阻來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流,但電阻選擇和噪聲濾波等因素非常關(guān)鍵,可能會(huì)增加整個(gè)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和物理尺寸。
保護(hù)電路還要求支持對(duì)功率級(jí)中關(guān)鍵電流環(huán)路路徑中的雜散電感所引起的額外開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)行補(bǔ)償校正。
在集成式構(gòu)建模塊芯片中,內(nèi)置過(guò)載保護(hù)取決于MOSFET的通態(tài)電阻。集成式電路監(jiān)控輸出電流,當(dāng)超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)限時(shí)將切斷PWM。另外,MOSFET通態(tài)電阻較大的正溫度系數(shù)隨著結(jié)溫的升高會(huì)降低過(guò)流門(mén)限,從而增強(qiáng)了放大器的安全性。
結(jié)論:即插即用型可升級(jí)的D類(lèi)放大器
通過(guò)上述四個(gè)關(guān)鍵功能的集成,IRS2092提供了一個(gè)即插即用型D類(lèi)放大器解決方案,它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非常重要的受保護(hù)的PWM開(kāi)關(guān)級(jí)電路。它的高集成度解決了許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),而且還具有很大的靈活性,允許工程師定制某些功能來(lái)滿(mǎn)足特定的設(shè)計(jì)需求。
調(diào)整放大器使其提供不同的輸出功率電平或者實(shí)現(xiàn)不同數(shù)量的通道同樣非常容易,只需選擇合適的外部MOSFET對(duì),并相應(yīng)調(diào)整死區(qū)時(shí)間以及過(guò)載保護(hù)門(mén)限。外部MOSFET還能讓工程師優(yōu)化EMI和效率來(lái)滿(mǎn)足應(yīng)用要求。
最后,完備的可升級(jí)能力還允許在多個(gè)產(chǎn)品中共享一個(gè)公共基礎(chǔ)設(shè)計(jì),并且IRS2092將隨著終端產(chǎn)品的發(fā)展而不斷縮減其成本和上市時(shí)間。
作者:Jun Honda
D類(lèi)音頻放大器部高級(jí)工程師
國(guó)際整流器公司
