NXP 新型绿色能效D 类音频放大器设计应用.PDF

NXP D NXP D NNXXPP新型绿色能效DD类音频放大器设计应用 0 0 00 引 言 多媒体时代，传统A类、B类、AB类线性模拟音频放大器因效率低，能耗大，已不能 满足电子视听类LCD／PDP／OLED／LCOS／PDA等绿色节能、高效、体积小等新发展趋 势，而非线性音频放大器件Class-D类功放因具备节能、高效率、高输出功率、低温升效应、 占用空间小等优点，将被纳入越来越多新产品设计中。D类放大器架构上分半桥非对称型和 全桥对称型，而全桥类相对半桥型具有高达4倍的输出功率，更为高效；从信号适应上分模 拟型和I2S全数字型，因全数字型尚处发展阶段，成本高，而模拟型因成本优势将在未来几 年处于应用主流。本文重点剖析了全桥模拟型D类功放设计要素，实现了一种基于NXP公 司新型绿色能效模拟D类功放TFA9810T电路设计，并重点对绿色节能高效、高输出功率、 低温升效应、PCB布局、EMI抑制几个方面进行总结分析。 1D 1D 11DD类功率放大器原理特点 1 1D 1 1D 11．11DD类放大器系统结构 D类放大器由积分移相、PWM调制模块、G栅级驱动、开关MOSFET电路、Logic辅 助、输出滤波、负反馈、保护电路等部分组成。流程上首先将模 拟输入信号调制成PWM 方波信号，经过调制的PWM 信号通过驱动电路驱动功率输出级，然后通过低通滤波滤除高 频载波信号，原始信号被恢复，驱动扬声器发 声，如图1所示。 1 2 PWM-Modulation 1 2 PWM-Modulation 11．22 调制级（PPWWMM--MMoodduullaattiioonn） 调制级就是A／D转换，对输入模拟音频信号采样，形成高低电平形式数字PWM信号。 图2中，比较器同相输入端接音频信号源，反向端接功放内部时钟产生 的三角波信号。在音 频输入端信号电平高于三角波信号时，比较器输出高电平VH，反之，输出低电平VL，并 将输入正弦波信号转换为宽度随正弦波幅度变化的 PWM 波。这是D类功放核心之一，必 须要求三角波线性度好，振荡频率稳定，比较器精度高，速度快，产生的PWM方波上升、 下降沿陡峭，深入调制措施参见文 献［2］。 1 3 1 3 11．33 全桥输出级 输出级是开关型放大器，输出摆幅为VCC，电路结构如图3所示。将MOSFET等效为 理想开关，关断时，导通电流为零，无功率消耗；导通时，两端电压 依然趋近为零，虽有 电流存在，但功耗仍趋近零；整个工作周期，MOSFET基本无功率消耗，所以理论上D类 功放的转换效率可接近100％，但考虑辅助电路 功耗及MOSFET传导损耗，整体转换效率 一般可达90％左右。因为转换效率很高，所以芯片本身消耗的热能小，温升也才很小，完全 可以不考虑散热不良，因 此被称为绿色能效D类功放。 对全桥，进一步减小导通损耗，要使MOSFET 漏源的导通电阻RON 尽量小。选取低 开关频率和栅源电容小的MOSFET，加强前置驱动器的驱动能力。 1 4LPF 1 4LPF 11．44LLPPFF低通滤波级 LPF滤波器可消除PWM 信号中电磁干扰和 开关信号，提高效率，降低谐波失真，直 接影响放大器带宽和THD，必须设置合适截止频率和滤波器滚降系数，以保证音频质量。 对于视听产品，20Hz～20kHz为可听声；低于20 Hz为次声；高于20kHz为超声。应用中 一般设置截止频率为30kHz，这个频率越低，信号带宽越窄，但过低会损伤信号质量，过高 会有噪声混入。常用LPF滤波器一般有巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、考尔滤波器三 种。 巴特沃思滤波器在通带BW 内最大平坦幅度特性好，易实现，因此视听产品多采用等效内 阻小，输出功率大的LC二阶巴特沃思滤波器如图4所示。 1 5 1 5 11．55 负反馈 负反馈是LPF 电路，将检测到的输出级音频成分反馈到输入级，与输入信号比较，对 输出信号进行补偿、校正、噪声整形，以此改善功放线性度，降低电源中 纹波（电源抑制 比，PSRR）。负反馈可减小通带内因脉冲宽度调制、输出级和电源电压变化而产生的噪声， 使输出PWM 中低频成分总能与输入信号保持一致， 以得到很好的THD，使声音更加丰富