【正文】 改進全橋 PWM 方案的數(shù)字實現(xiàn)方法 ............................................... 10 D 類音頻功率放大器設計需知 ................................................................. 10 D 類音頻功率放大器的熱耗散分析 .......................................................... 14 第 4 章 高效 D 類超低音功率放大器 LM4651/ LM4652 ......................................... 16 引腳功能 ................................................................................................ 16 主要參數(shù)及特點 ...................................................................................... 18 主要參數(shù) ....................................................................................... 18 主要特點 ....................................................................................... 19 原理和應用電路 .......................................................................... 20 系統(tǒng)功能簡述 ......................................................................................... 20 待機（ Standby）功能 .............................................................................. 20 啟動程序和定時 ...................................................................................... 20 4． 6 電流限制和短路保護 .............................................................................. 21 大慶石油學院應用技術學院畢業(yè)論文 III 電流限制最小設備在 10A,但調節(jié) RSCKT 數(shù)值可以適當使電流增大 ,在輸出端短路或場聲器失效（出現(xiàn)短路）的情況 下 ,IC 將執(zhí)行安全保護功能。 “這對市場來說既是機會又是挑戰(zhàn)，現(xiàn)在中國廠商在射頻功率放大器市場中規(guī)模還不大。自從有了晶體管，人們就開始用它制造功率放大器。到了六十年代末，大功率的 PNP 硅管商品化的時候，互補對稱電路才得到廣泛的應用。 瞬態(tài)互調失真的大意是這樣的： 在直接耦合的晶體管放大電路中，為了得到很小的諧波失真度和寬闊平坦的頻率響應，通常對整體電路施加深達 40dB 一 60dB 的負反饋，倘若在加負反饋前放大器的開環(huán)失真為 10％，那么加上 40dB 的負反饋后，失真即可降低至 0． 1％，這是電子管功效難以做到的。嚴重的 TIM 失真反映在聽感上類似高頻交選失真，而較弱的 TIM 失真給人以 “金屬聲 ”的不快感覺，導致音質劣化。如果以現(xiàn)代的眼光來審評，這一電路是顯得過時了一點。 依然是一種不平衡的設計，這一限制來源于輸入級。差動電路是集成運放中廣泛采用的結構，其性能是建立在兩只差分管 Hrs 和 Vss 精確匹配的基礎之上。噪聲小比較容易辦到，只要加大濾波電容器的容量就可以，但是要做到輸出能力強卻不簡單。 第二代 D類放大器把一個用于模擬源信號的 PWM信號和一個集成的輸出級以及片外濾波器組合在一起。 D 類放大器工作在開關狀態(tài)下可以采用脈寬調制 (PWM)模式。 (5)MOSFET 具有并行工作能力，具有正的電阻溫度系數(shù)。 D類放大器需要兩只 MOSFET，他們在非常短的時間內可完全工作在導通或截止狀態(tài)下。 在 PWM 轉換中，以 kHz 或 48 kHz 的取樣頻率和 8 b 或 16 b 的量化率 (即模擬 信號振幅值的讀出刻度 )進行 A／ D(模擬／數(shù)字 )變換，然后再把 PWM 數(shù)字信號進行高效率放大 (D 類放大 ) 大慶石油學院應用技術學院畢業(yè)論文 7 由于音頻信號的信息全部包含在脈沖的寬度變化中，與脈沖的幅度變化無關，因此，只要采用截止頻率為 30～ 40 kHz 的低通慮波器就可把模擬音頻信號解調出來。全橋電路負載上的電壓峰峰值接近電源電壓的 2倍，可采用單電源供電。比較器可采用高速比較器實現(xiàn)，其反相輸入端接高頻三角波，同相輸入端則分別接輸入電壓放大器輸出的相位相反的音頻信號。將 9 b 數(shù)值比較器拆分成 8 b 比較器和 1 b 比較器，這樣 2 路 PWM 輸出可共用 8 b 比較器，只是高位比較器的比較量不同，因為 PWM2 的清 0 時刻比 PWM1 的清 0 滯后了半個周期。音頻信號是用來調制 PWM大慶石油學院應用技術學院畢業(yè)論文 11 載波信號，其載波信號可以驅動輸出器件，用最后的低通濾波器去除高頻 PWM 載波頻率。這個信號和高頻三角或鋸齒波形相比可以產生 PWM 信號。 能量流向 在線性功放中，能量是從電源到負載，雖然在全橋 D類功放中也是這樣，但半橋 D 類功放還是不同的，因為能量可以雙向流動而導致 “母線電壓提升 ”現(xiàn)象產生，這樣會造成母線電容被從加載來的能量充電。同步降壓轉換器對于高低端的晶體管有著不同的優(yōu)化，較長的周期需要較低的 Rds(on)，而較短的周期需要低的 Qg(柵極電荷 )，即兩個開關作用不同。而 MOSFET 的選擇是基于功放規(guī)格而定。簡而言之，半橋簡單，而全橋在音頻性能上更好一些，全橋拓撲需要兩個半橋功放，這樣就需要更多的元器件。然而，實際的 D 類功放并不完美并且會有失真和噪音。特別是死區(qū)時間嚴重影響了 D類功放的線性。因此輸出波形與嵌入到低端器件開通前的死區(qū)時間無關。因為在這個區(qū)域，是 ZVS(零電壓開關 )操作狀態(tài)，因此在中間區(qū)域就不會 有失真。在這里需要重要考慮的是 D類功放 的輸出信號在其波形上仍然含有大量的開關載波頻率，這樣就造成錯誤的讀取。因此，母線電壓波動產生失真，而 D類功放中的電流流動是雙向的，則就存在了從功放返回到電源時期。在下一個階段中，當另外一端的 MOSFET 在死區(qū)未打開時，體晶體管保持導通狀態(tài)，除非儲存的大量少數(shù)載波被完全復合。 1 D 類功放參考設計 拓撲：半橋，選用 IR2021S(柵極驅動 IC,最高工作電壓 200V,Io+/為 ， Vout 為 1020V,ton/off 為 80amp。 然而， D 類放大器在輸出功率為最大值時有最大的功耗。另一個產生功耗的是輸出電阻中的開關延遲。 采用音樂信號的實際例子中，設計師必須考慮信號的平均值的最大振幅 (波峰因子 )。 這些例子表明，正弦信號比真正的音頻信號引起的功耗更大。 大慶石油學院應用技術學院畢業(yè)論文 17 表 41 LM4651 的引腳功能 腳號 引腳符號 功 能 描 述 1 OUT1 輸出到功率 MOSFET 柵極驅動電路的基準腳 1,27 BS1,BS2 為驅動上面的柵極 HG HG2 提供額外偏 置的自舉腳 3 HG1 半橋中 1 高端柵極驅動輸出 4 HG2 半橋中 2 高端柵極驅動輸出 5,15 GND 模擬地 6 +6VBYP 模擬電路內部調節(jié)正電壓輸出 ,該腳僅用作內部調整器旁路 7 +Vcc IC 正電源電壓輸入 8 6VBYP 模擬電路內部調節(jié)負電壓輸出 ,該腳僅用作內部調整器旁路 9 FBKVo 反饋測量放大器輸出腳 10 ERRIN 誤差放大器反相輸入腳。 LM4651/LM4652 的主要技術參數(shù)為： ●總揩波失真（ THD）（在 10W、 4Ω和 10～ 500Hz 下） ≤%。 ●具有過調制保護（軟削波）功能 。 待機（ Standby）功能 LM4651 的 CMOS兼容性允許通過關閉脈沖寬度波形去關斷所有功率 MOSFET。 死區(qū)時間設定 LM4651 上的 DELAY 腳可用來設定系統(tǒng)死區(qū)時間。在正統(tǒng)波頂部 ,過調制保護還提供一個軟削波（ soft clip）型響應。 外部元件功能說明 對于圖 2 所示的應用電路 ,LM4651/LM4652 外部主要元件的功能說明如表所列。 本設計采用全橋改進 PWM方案實現(xiàn)的 D類放大器具有效率高、降低濾波器要求等特點。 李 老師所作的一切，使我非常感動！ 在此，謹向 李 老師致以最崇高的敬意和誠摯的感謝 ! 在論文寫作過程中，許多同學在課題設計中給予了幫助。需要說明的是：用 LM4651/LM4652 組成的 D類放大器的 PCB 板宜采用雙面印刷電路板。放大器增益由外部電阻 RF和 R1 決定。 過調制保護 圖 4為過調制保護工作波形。 大慶石油學院應用技術學院畢業(yè)論文 21 圖 43 2 階低通濾波器輸入電路 4． 6 電流限制和短路保護 連接在 SCKT 腳與 GND之間電阻 RSCKT 用來決定最大輸出電流。圖 3 所示為輸入音頻信號與頻率遠高于音頻信號的三角波信號的比較波形。 ●內含集成誤差放大器和反饋放大器 。 LM4651 的總靜態(tài)電流（在 LM4652 不連接時的典型值）為 36mA,待機狀態(tài)時的輸入電壓（典型值）為 2V,開關頻率范圍（在 Rosc 從 15kΩ變?yōu)?0Ω時）為 65～ 200kHz,死區(qū)時間為 27ns,調制保護時間（典型值）為 310ns。其中 ,采用隔離型的 LM4652TF 引腳排列如圖 1（ b）所示。當 RMS輸出功率為 10W 時，總功耗為 ，最大結點溫度為 71℃ 。但是，結點溫度對確定散熱片的尺寸則意義重大，因為更高的 TJ 可處理更高的功耗。如果晶體管的電阻很低，通過它們的壓降小，會更進一步地降低功耗。 線性放大器的效率為 50%，所以輸出功率的稍許增加，就會導致電流損耗大幅度的增大以及過度的熱耗散，從而導致需要大體積的散熱片。保證較好可靠性和低的成本條件下，工作在最大結溫。 EMI 的主要來源之一是來自從高到低流動的 MOSFET 二極管的反向恢復電荷，和電流直通很相象。 1關于電源吸收能量 另外一個在 D 類功放 中引起明顯降額的原因是母線充電，當半橋拓撲在給負載輸出低頻時可以看到。 音頻性能測量 有著 AESl7 網絡過濾器的音頻測量儀器是很必需的。 在以前描大慶石油學院應用技術學院畢業(yè)論文 13 述的兩個操作模式中存在一個區(qū)域，在這個區(qū)域中輸出時間與死區(qū)時間是獨立的。高端器件在低端器件開通之前關斷，輸出節(jié)點就會被轉到負母線。由于限定的輸出電阻和通過直流母線的能量的反作用而引起得電源電壓波動 *輸出 LPF 中的非線性。所以就沒有可以回流的能量。 半橋和全橋結構拓撲的對比 和普通的 AB 類功放相似， D 類功放可以歸類成兩種拓撲，分別是半橋和全橋結構。 由于 MOSFET 開關速度很快，對于這種功放它是你最好的選擇。但是在 D 類功放中電流是朝著兩個方向的，即電感電流為雙向。這就意味著 D 類功放的電源抗擾比率是 0dB,而線性的 PSRR(電源供應抑制比率 )就很好。電路運用從半橋輸出的反饋來補償母線電壓的變化。為此 ,主要將對說明這類 D類功放作以說明。這樣實現(xiàn)了與輸入脈寬數(shù)據(jù)相對應的 PWM 信號的輸出。采用這種 PWM 方法能夠抑制零信號輸入時的靜態(tài)損耗，從而有利于放大器效率的提高。 圖 31 全橋 D 型放大器原理 他采用了由比較器和三角波發(fā)生器組成的固定頻率的 PWM 電路，用輸入的音頻信號幅度對三角波進行調制，得到占空比隨音頻輸入信號幅度變化的方波，并以相反的相位驅動上下橋臂的功率管，使功率管一個導通時另一個截止，再經輸出濾波器將方波轉變?yōu)橐纛l信號，推動揚聲器發(fā) 聲。 D類數(shù)字音頻功率放大器與上述各類模擬功放的最大區(qū)別是不以線性放大音頻信號為基礎，而是以放大數(shù)字信號為原理的一種數(shù)字信號放大技術。此處的 線性 是指 MOSFET 保持連續(xù)性的工作狀態(tài)，此時漏電流是所施加在柵極和源極之間電壓的函數(shù)。 (4)MOSFET 沒有二次擊穿失效機理，他在溫度越高時往往耐力越強，發(fā)生熱擊穿的可能性越低。最后還不能忽視新的架構技術。與體積龐大的傳統(tǒng)線性放大器相比，使用 D類放大器并不影響音頻信號的音質卻能夠實現(xiàn)便攜產品的小型化，因此