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发表于 2016-1-11
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A类、B类和D类放大器输出级的功率效率比较- }7 v6 ~0 D( G ~. H0 c7 f
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注:POWER EFFICIENCY = 功率效率9 B5 a3 ^, u! o- E; p
/ w5 q) m. g) S a+ Y3 a/ @- y5 vNORMALIZED LOAD POWER = 归一化负载功率
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CLASS D AD199x MEASURED = AD199xD类放大器测量值; ~ \" F, V- O4 u; E" W @' v- H
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CLASS B IDEAL = B类放大器理想值& z3 i3 b" b; |1 v9 f) @1 S+ s" D
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CLASS A IDEAL = A类放大器理想值
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1 i7 }8 f- ~. D$ Y ^功耗和功率效率的差异在中等功率水平处很大。这对于音频很重要,因为大音量音乐的长期 平均功率水平要比达到PLOAD max的瞬时峰值水平低很多(为其1/5到1/20,取决于音乐类型)。 因而,对于音频放大器,[PLOAD = 0.1×PLOAD max] 是一个合理的平均功率水平,按照这个 功率水平评估PDISS。在这个功率水平,D类放大器输出级的功耗是B类放大器的1/9,是A类 放大器的1/107。
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对于10 W PLOAD max的音频放大器,1 W的平均PLOAD认为是保真音频功率水平。在这种条 件下,D类放大器输出级内部功耗为282 mW,对于B类放大器为2.53 W,对于A类放大器为 30.2 W。在这种情况下,D类放大器的效率从高功率条件下的90%减少到78%。但即使是78% 也要远优于B类放大器和A类放大器,它们的效率分别为28%和3%。: @2 F' G& f Y* D c4 S
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这些差别对于系统设计具有重要的影响。对于1 W以上的功率水平,线性输出级的过大的功 耗要求采用有效的散热方法以避免不可接受的发热,通常是使用大金属板作为散热板,或用 风扇促进放大器空气散热。如果放大器是集成电路(IC),就可能需要大尺寸、高成本的增 强散热封装以促进热传导。这些考虑在消费类产品中很麻烦,例如平板电视,其印制电路板 面积(PCB)面积很宝贵,或汽车音响,其发展趋势是在固定空间内增加通道数。, a& W9 P, a: j5 i
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对于1 W以下的功率水平,处理浪费的功率可能比处理散热还困难。如果是电池供电,线性- [$ Y+ @' p9 y: U# q
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放大器输出级消耗电池电荷要比D类放大器快。在上面的例子中,D类放大器输出级耗费的 电源电流是B类放大器的1/2.8,是A类放大器的1/23.6,因此它们用于蜂窝电话,PDA和MP3 播放器等产品在电池的寿命方面有很大差别。1 \! N) _# D! e1 ^: c; t* ]
0 a" c9 U \. n9 R/ v0 ?4 u9 R$ K5 G迄今为止,我们为了简单起见,只是专门注重放大器输出级的分析。但是当考虑放大器系统 中所有功耗时,线性放大器要比低输出功率D类放大器更有利。原因是在低功率水平条件下, 产生和调制开关波形所需要的功率会很大。因而,精心设计的低中功率的AB类放大器的宽 系统静态功耗优势使得它们可与D类放大器相竞争。虽然对于宽的输出功率范围,毫无疑问 D类放大器具有低功耗优势。
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D类放大器术语以及差分方式与单端方式的比较
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1 @1 y+ e% }! Z$ v- T) T图3示出D类放大器中输出晶体管和LC滤波器的差分实现。这个H桥具有两个半桥开关电路, 它们为滤波器提供相反极性的脉冲,其中滤波器包含两个电感器、两个电容器和扬声器。每 个半桥包含两个输出晶体管,一个是连接到正电源的高端晶体管MH,另一个是连接到负电 源的低端晶体管ML。图3中示出的是高端pMOS晶体管。经常采用高端nMOS晶体管以减小 尺寸和电容,但需要特殊的栅极驱动方法控制它们(见深入阅读资料1)。
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全H桥电路通常由单电源(VDD)供电,接地端用于接负电源端(VSS)。对于给定的VDD和 VSS,H桥电路的差分方式提供的输出信号是单端方式的两倍,并且输出功率是其四倍。半 桥电路可由双极性电源或单极性电源供电,但单电源供电会对DC偏置电压产生潜在的危害, 因为只有VDD/2电压施加到过扬声器,除非加一个隔直电容器。# ^5 h$ I" c( }/ ~5 f9 N5 d! D, M9 }
1 A+ U3 S+ S" e* H2 {. D7 Y“激励”的半桥电路电源电压总线可以超过LC滤波器的大电感器电流产生的标称值。在VDD 和VSS之间加大的去耦电容器可以限制激励dV/dt的瞬态变化。全桥电路不受总线激励的影 响,因为电感器电流从一个半桥流入,从另一个半桥流出,从而使本地电流环路对电源干扰 极小。, a0 n/ D1 k% a0 @, {& Y" R* g
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音频D类放大器设计因素& }5 I/ {8 r* j
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虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用,但是有一些重要问题需要设计工程 师考虑,包括:" F1 M0 C: i" P; J1 I
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. 输出晶体管尺寸选择
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. 输出级保护
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3 D/ x7 o+ b6 F( S- q3 n. 音质5 D' F. c" t2 G) m6 E/ ^+ ?! F
, B l4 G. L! a1 Z/ a: l1 G. 调制方法
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1 U B+ e* c4 H0 e- P- K; O* n. 抗电磁干扰( EMI)
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. LC滤波器设计% ~/ y& D4 g7 x8 H5 l- O
+ B, c7 G. L, o% |7 l. 系统成本
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输出晶体管尺寸选择
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选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS时保证VDS很 小,要求输出晶体管的导通电阻(RON)很小(典型值为0.1Ω~0.2Ω)。但这要求大晶体管 具有很大的栅极电容(CG)。开关电容栅极驱动电路的功耗为CV2f,其中C是电容,V是充 电期间的电压变化,f是开关频率。如果电容或频率太高,这个“开关损耗”就会过大,所 以存在实际的上限。因此,晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关 损耗降至最小之间的一个折衷。在高输出功率情况下,功耗和效率主要由传导损耗决定,而 在低输出功率情况下,功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的RON×CG减至最小以减少开关应用中的总功耗,从而提供开关频率选择上的灵活性。' R( Z% j" H6 |8 K: K/ S
# S. m! M6 g: g' J5 _输出级保护9 K, D- B; f( ~+ k( C7 d; }8 @
- K5 H" a5 q. R% |输出级必须加以保护以免受许多潜在危险条件的危害:
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过热: 尽管D类放大器输出级功耗低于线性放大器,但如果放大器长时间提供非常高的功 率,仍会达到危害输出晶体管的水平。为了防止过热危险,需要温度监视控制电路。在简单 的保护方案中,当通过一个片内传感器测量的温度超过热关断安全阈值时,输出级关断,并 且一直保持到冷却下来。除了简单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示以外,传 感器还可提供其它的温度信息。通过测量温度,控制电路可逐渐减小音量水平,减少功耗并 且很好地将温度保持在限定值范围内,而不是在热关断期间强制不发出声音。
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输出晶体管过流: 如果输出级和扬声器端正确连接,输出晶体管呈低导通电阻状态不会出现 问题,但如果这些结点不注意与另一个结点或正、负电源短路,会产生巨大的电流。如果不 经核查,这个电流会破坏晶体管或外围电路。因此,需要电流检测输出晶体管保护电路。在 简单保护方案中,如果输出电流超过安全阈值,输出级关断。在比较复杂的方案中,# H; o* z5 ^, [) Y
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电流传感器输出反馈到放大器中,试图限制输出电流到一个最大安全水平,同时允许放大器 连续工作而无须关断。在这个方案中,如果限流保护无效,最后的手段是强制关断。有效的 限流器还可在由于扬声器共振出现暂时的大瞬态电流时保持放大器安全工作。 s) } W& S0 y' F. h! a
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欠压: 大多数开关输出级电路只有当正电源电压足够高时才能正常工作。如果电源电压太 低,出现欠压情况,就会出现问题。这个问题通常通过欠压封锁电路来处理,只有当电源电 压大于欠压封锁阈值时才允许输出级工作。& j ?" ^; D# g( [
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