大功率D類音訊放大器設計如何選型?

2021-09-24 14:37:45 字數 2024 閱讀 9187

過去,人們普遍認為開關放大器不可能超越線性放大器。然而,經過好的設計後,d類放大器可以發揮更優越的音訊處理效能。d類音訊放大器(cs8528s)具有超過90%的效率和接近0%的諧波失真,並且沒有可聽見的雜訊,為音訊系統提供了理想的特性。相比ab類放大器,d類放大器不僅功率大、效能高,更為重要的是失真率低,音質出眾。當設計要求提高輸出功率時,d類放大器比ab類的優勢更加突出。

乙個典型的d類音訊放大器包含三大部分:pmw調製器、開關電路和lpf濾波器(如下圖中紅色框所示)。其工作原理為:將模擬音訊訊號轉變成pwm數碼訊號,在數字區域進行功放,然後重新把數碼訊號轉變成模擬音訊訊號輸出。

先進的大功率d類音訊放大器晶元的發展趨勢及主要特性包括如下幾個方面:

(1)高整合度

隨著晶元工業的飛速發展,能夠將很多特性整合在單晶元上,而無需其它外圍電路,無疑向d類放大器設計者提供了更為優勢的解決方案。使他們能夠減少設計元件數量、降低開發成本、提高電路可靠性,並快速將產品推向市場。

silicon labs公司的si8241/si8244晶元在單晶元上整合了幾乎所有d類音訊放大器的先進特性,從效能、體積、成本各方面來說,都是音訊設計者的理想選擇。

(2)高頻率工作

d類驅動器的最佳特性之一為它的高開關頻率工作能力,並且具有很小的傳播延遲。這些特性使得反饋通路的總環路延遲能夠達到最低。更高的頻率工作也改善了環路增益,可以顯著改善放大器的失真效能。當前大多數高壓驅動器ic僅支援最大1mhz的調製頻率。

silicon labs公司的si8241/si8244晶元擁有高達8mhz的調製工作頻率,能實現最佳thd(總諧波失真率)。

(3)可靠性和雜訊免疫性

目前典型的門驅動器ic大多以20v/ns或更高速度進行開關, 而且對於從電源邊耦合回精密數字輸入邊的高壓擺率雜訊沒有任何免疫能力。這對於需要將雜訊門限降到盡可能低的高保真音質要求來說,是乙個巨大的缺陷。

silicon labs公司的si8241/si8244晶元具有》100 v/ns的高門檻雜訊免疫能力,而且輸入和輸出完全隔離,將雜訊影響降到最低。

(4)死區控制

為了得到更好的音質效果,pwm開關波形的形狀和時間是關鍵。通常要將pwm訊號進行濾波和整形處理,使波形變得乾淨,上公升/下降沿變得陡峭,時間寬度更為準確。由於輸出訊號電流的交替變化,功率級輸出波形存在一定死區,使放大電路產生了非線性度。在大功率放大應用中,隨著d類放大器的增益變大,揚聲器的負載電流比電感的紋波電流大很多,調製器的輸出脈衝中的死區得到有效減弱。不幸的是,雖然減弱的死區減少了諧波失真,但增加了擊穿電流的危險。

死區對於d類放大器來說,是乙個很重要的影響因素。如果死區過短,則會產生衝擊電流,影響放大效率;如果死區過長,則會增加諧波失真,影響聲音質量。為了解決此問題,必須精確控制死區時間,找到乙個最佳點,使得功放效率和諧波失真達到最優化效果。為此,出現了死區調節技術。現今的高壓音訊驅動通常採用粗糙和重疊的死區設定值(例如1/n延遲值),大多數設計者採用分立元件來控制死區週期,這樣做既耗時又耗錢。更為簡潔和經濟的解決方法是整合乙個帶有高精度死區發生器的門驅動器。

silicon labs公司的si8241/si8244晶元,內部整合了乙個可程式設計死區時間控制門,可以進行精確的可程式設計死區控制,使其達到盡可能低的總諧波失真和最佳效率的平衡。

(5)電平轉換

實現兩級d類放大的難點在於需要對輸入訊號進行電平轉換。在大功率d類放大器中,對功率mosfet級採用高電壓雙極電源(± vss)進行供電是必要的。在實際的d類放大器設計中,±100 vdc直流供電電壓可以在8ω阻抗上實現驚人的600w音訊功率傳輸。市場上大多數高壓d類驅動器ic不能實現從低壓調製部分到高壓調製部分的電平轉換。一些能提供電平轉換的晶元也具有其它一些缺陷,使其不能完美實現d類放大的功能。此外,由於大多數驅動器解決方案不提供輸入到輸出的隔離或驅動器之間的隔離,也只能通過增加外圍電路來實現電平轉換,既增加了成本和空間,設計難度也變大。

為高壓雙極供電軌提供乙個隔離介面來進行電平轉換的解決方案在d類放大器設計中具有很大的優勢。silicon labs的si8241/si8244晶元內部採用隔離電平轉換介面,不用增加任何外部器件和電路,既保證了輸入輸出隔離,也實現了輸出之間隔離。輸出隔離電壓達到1500vrms。這意味著輸出級最高可以使用±750 v雙極高電壓供電。

總結 大功率發射1

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