D类音频功率放大器设计基础

数无关。

　　现在一起看一下D类功放的损失，在输出器件中的全部损耗如下：

　　Ptotal=Psw+Pcond+Pgd

　　Psw是开关损耗

　　Pcond是导通损耗，

　　Pgd是栅极驱动 损耗

　　从上式可看于D类功放的输出损耗是根据器件的参数来定的,即基于Qg(栅极电荷)、Rds(on)(静态漏源通态电阻)、Coss(MOSFET的输出电容)和tf(MOSFET下降时间)，所以减少D类功放损耗应有效选择器件，图4是D类功放的功率损耗和K的函数关系。

　　6、 半桥和全桥结构拓扑的对比

　　和普通的AB类功放相似，D类功放可以归类成两种拓扑，分别是半桥和全桥结构。每种拓扑都各有利弊。简而言之，半桥简单，而全桥在音频性能上更好一些，全桥拓扑需要两个半桥功放，这样就需要更多的元器件。尽管如此，桥拓扑的固有差分输出结构可以消除谐波失真和直流偏置，就像在AB功放中一样。一个全桥拓扑允许用更好的PWM调制方案，比如量化几乎没有错误的三水平PWM方案。

　　在半桥拓扑中，电源面临从功放返回来的能量而导致严重的母线电压波动，特别是当功放输出低频信号到负载时。能量回流到电源是D类功放的一个基本特性。在全桥中的一个臂倾向于消耗另一个臂的能量。所以就没有可以回流的能量。

　　7、 不完美失真和噪音产生

　　一个理想的D类功放没有失真，在可听波段没有噪音且效率足100%。然而，实际的D类功放并不完美并且会有失真和噪音。其不完美是由于D类功放产生的失真开关波形造成的。原因是：

　　*从调制器到开关级由于分辨率限制和时间抖动而导致的PWM信号中的非线性。

　　*加在栅极驱动上的时间误差，如死区时间，开通关断时间，上升下降时间。

　　*开关器件上的不必要特征，比如限定电阻，限定开关速度或体二极管特征。

　　*杂散参数导致过度边缘的震荡。

　　*由于限定的输出电阻和通过直流母线的能量的反作用而引起得电源电压波动

　　*输出LPF中的非线性。

　　一般来讲，在栅极信号中的开关时间误差是导致非线性的主要原因。特别是死区时间严重影响了D类功放的线性。几十纳秒少量的死区时间很容易就产生1%以上的THD(总谐波失真),见图5(c)所示。

　　8、 死区时间(见图5(a)所示是如何影响非线性的)

　　其图5(a)(b)(c)为死区时间(或称延时时间)对失真的影响示意图。D类输出级中的工作模式可以根据输出波形如何跟随输入时间可归类成三个不同的区域。在这三个不同的工作区，输出波形跟随高低端输入信号的不同边缘而变化的。

　　让我们检查一下第一个操作区(见图5c所示High side edges)，在这里电流比电感器波纹电流还大时，输出电流就从D类功放流向负载。高端器件在低端器件开通之前关断，输出节点就会被转到负母线。这个过程与低端器件开通时间无关，它是通过从解调电感的换向电流自动造成的。因此输出波形与嵌入到低端器件开通前的死区时间无关。因此PWM波形只被嵌入到高端栅极信号的死区短路了，而造成所希望的输入占空比的轻微电压增益降低。

　　有个相似的情况发生在负工作区(见图5c所示Low side edges)，输出电流从加载流向D类功放。电流高于电感波纹电流。在这种情况下，输出波形的时间并没有受嵌入高端开通沿的死区时间的影响，而总是允许低端输入时间。因此，PWM波形只被嵌入到低端器件栅极信号的死区时间短路。

　　在以前描述的两个操作模式中存在一个区域，在这个区域中输出时间与死区时间是独立的。当输出电流小于电感波纹电流时，输出时间跟随每个输入的关断沿。因为在这个区域，是ZVS(零电压开关)操作状态(见图5c所示Falling edges)，因此在中间区域就不会有失真。

　　当输出电流随着音频输入信号的不同而变化时，D类功放将改变它的操作区，这样每个都会有细小的不同增益。在音频信号的周期中的这三个不同区域增议会歪曲输出波形。

　　图5(b)显示的是死区时间如何影响THD性能的。一个40nS死区时间可以产生2%的THD。这个可以通过减小死区时间到15nS提高到0.2%。这个标志着更好线性与高低端开关器件转换过程的重要性。

9、 音频性能测量

　　有着AESl7网络过滤器的音频测量仪器是很必需的。当然，像传统音频分析器HP8903B，加上合适的前级低通滤波器也可以使用。在这里需要重要考虑的是D类功放的输出信号在其波形上仍然含有大量的开关载波频率，这样就造成错误的读取。这些分析器也许很难防止D类功放的载波泄露。

　　10、防止直通

尽管如此，一个狭窄的死区时间在大量生产中是很危险的。因为一旦高低端晶体管被同时打开，那么直流母线的电压就会被晶体管短路，大量的直通电流将开始流动，这便会导致器件损坏。我们应该注意到有效的死区时间对每个功放是不同的，与元件参数和芯片温度有关。对于一个D类功放的可靠设计来讲确保死区