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发表于 2019-4-16
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LC滤波器设计
为了节省成本和电路板空间,大多数D类放大器的LC滤波器都是二阶低通设计。图3描绘了二阶LC滤波器的差分版本。扬声器用于抑制电路的固有共振。虽然扬声器阻抗有时近似为简单的电阻,但实际阻抗更复杂并且可能包括显着的无功分量。为了获得滤波器设计的最佳效果,应始终寻求使用精确的扬声器模型。
常见的滤波器设计选择是针对滤波器中下垂的最低带宽在感兴趣的最高音频处的响应被最小化。如果对于高达20 kHz的频率需要小于1 dB的下垂,典型滤波器具有40 kHz巴特沃斯响应(以实现最大平坦的通带)。表中的标称分量值给出了普通扬声器阻抗和标准L和C值的近似巴特沃斯响应:
Inductance L
(μH) | 电容C
(μF) | Speaker
Resistance(Ohm) | Bandwidth -3 -dB
(kHz) | 10 | 1.2 | 4 | 50 | 15 | 1 | 6 | 41 | 22 | 0.68 | 8 | 41
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电感设计因素:设计或选择电感的重要因素包括磁芯的额定电流和形状以及绕组电阻。如果设计不包含扬声器的反馈,扬声器的THD将对线性度敏感LC滤波器元件。
电流额定值:所选择的磁芯应具有高于预期最高放大器电流的额定电流。原因是如果电流超过额定电流阈值且磁通密度变为大量,则许多电感器磁芯将磁饱和太高导致不希望的电感急剧减少。
通过在线芯周围缠绕导线形成电感。如果有许多匝数,则与总线长度相关的电阻是显着的。由于这个电阻串联在半桥和扬声器之间,因此一些输出功率将在其中消散。如果电阻过高,请使用较粗的导线或将磁芯更换为需要较少匝数的不同材料,以提供所需的电感。
最后,不应忘记使用的电感形式如上所述,会影响EMI。
系统成本
使用D类放大器的音频系统的总体成本中有哪些重要因素?我们如何才能最大限度地降低成本呢?
D类放大器的有源组件是开关输出级和调制器。该电路的构建成本与模拟线性放大器的成本大致相同。在考虑系统的其他组件时会发生真正的权衡。
D类的较低功耗可以节省冷却设备(如散热器或风扇)的成本(和空间)。 D类集成电路放大器可以使用比线性放大器更小和更便宜的封装。当从数字音频源驱动时,模拟线性放大器需要D / A转换器(DAC)将音频转换为模拟形式。对于模拟输入D类放大器也是如此,但数字输入类型有效地集成了DAC功能。
另一方面,D类的主要成本劣势是LC滤波器。元件 - 尤其是电感器 - 占用电路板空间并增加了成本。在高功率放大器中,整体系统成本仍然具有竞争力,因为LC滤波器的成本可以通过冷却设备的大量节省来抵消。但在成本敏感的低功耗应用中,电感器的成本变得繁重。在极端情况下,例如用于手机的廉价放大器,放大器IC可能比总LC滤波器成本便宜。此外,即使忽略货币成本,LC滤波器占用的电路板空间也可能成为小型应用中的一个问题。
为解决这些问题,有时会完全消除LC滤波器,以创建无滤波器放大器。这样可以节省成本和空间,但却失去了低通滤波的优势。如果没有滤波器,EMI和高频功耗会增加得无法接受 - 除非扬声器具有电感并且非常靠近放大器,否则电流环路面积最小,功率水平保持较低。虽然通常可以在手机等便携式应用中使用,但对于家用立体声等高功率系统来说这是不可行的。
另一种方法是尽可能减少每个音频通道所需的LC滤波器组件的数量。这可以通过使用单端半桥输出级来实现,这需要差分全桥电路所需的Ls和Cs数量的一半。但是,如果半桥需要双极电源,那么与产生负电源相关的费用可能会过高,除非为某些其他目的已经存在负电源 - 或者放大器具有足够的音频通道,以摊销负电源的成本供应。或者,半桥可以由单电源供电,但这会降低输出功率,并且通常需要一个大型隔直电容。
ADI公司D类放大器
所有刚刚讨论的设计挑战可以构成一个相当苛刻的项目。为了节省设计人员的时间,ADI公司提供各种D类放大器集成电路,包括可编程增益放大器,调制器和功率输出级。为简化评估,每种放大器类型都有演示板,以简化评估。每种电路板的PCB布局和材料清单都可作为可行的参考设计,帮助客户快速设计工作,经济高效的音频系统,而无需“重新发明轮子”来解决主要的D类放大器设计挑战。
例如,考虑AD1990,AD1992和AD1994系列双放大器IC,针对中等功率立体声或单声道应用,需要两个通道,每通道输出高达5,10-和25-W。以下是这些IC的一些属性:
AD1994 D类音频功率放大器结合了两个可编程增益放大器,两个sigma-delta调制器和两个功率输出级,用于驱动家庭影院,汽车和PC音频应用中的全H桥连接负载。它产生的开关波形可以驱动立体声扬声器,每个扬声器最高可达25 W,或单个扬声器可达50 W单声道,效率可达90%。其单端输入应用于可编程增益放大器(PGA),增益可设置为0,6,12和18 dB,以处理低电平信号。
器件具有集成保护,防止过热,过流和直通电流的输出级危险。由于特殊的定时控制,软启动和直流偏移校准,与静音相关的咔嗒声和砰砰声最小。规格包括0.001%THD,105 dB动态范围和> 60 dB PSR,使用来自开关输出级的连续时间模拟反馈和优化的输出级栅极驱动。其1位Σ-Δ调制器特别针对D类应用进行了增强,可实现500 kHz的平均数据频率,高环路增益至90%调制,以及完全调制的稳定性。 独立调制器模式允许它驱动外部FET以获得更高的输出功率。
它为PGA,调制器和数字逻辑使用5 V电源,为开关输出级使用8 V至20 V的高压电源。相关参考设计符合FCC B类EMI要求。当采用5 V和12 V电源驱动6 ohm负载时,AD1994静态消耗487 mW,2 x 1 W输出电平消耗710 mW, power-down 模式消耗0.27 mW。采用64引脚LFCSP封装,额定温度范围为-40°C至+ 85°C
有关D类放大器的更多技术信息 - 包括Blackfin处理器的实现 - 可以在进一步阅读部分找到。
致谢
作者要感谢ADI公司的Art Kalb和Rajeev Morajkar对本文的深思熟虑。
进一步阅读
< li>国际整流器,应用笔记AN-978,“高压浮动MOS栅极驱动器IC”。
Nyboe,F。等人,“D类放大器输出中开环失真的时域分析”阶段,“2005年9月在丹麦哥本哈根举行的AES第27届国际会议上发表。
Zhang,L。等,”噪声型D类放大器的实时电源补偿“, 2004年10月,加利福尼亚州旧金山举行的第117届AES大会上。
Nielsen,K。,“用于模拟和数字输入开关功率放大器的脉冲宽度调制(PWM)方法的回顾和比较”,于1997年3月在德国慕尼黑举行的第102届AES大会上发表。
Putzeys,B。,“具有全输出滤波器控制的简单自振荡D类放大器”,于118日发表AES公约,西班牙巴塞罗那,2005年5月。
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PWM和D类放大器,采用ADSP-BF535 Blackfin ®处理器,Analog Devices工程师对工程师注意事项EE-242。 |
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