新型绿色能效D类音频放大器设计应用

　　式中：fOSC是振荡器频率；tON和tOFF分别是MOSFET开、关频率。此时效率为：
 

由上述公式得知，D类功放中负载RL，相对其他电阻，比值越大效率越高；MOSFET作为续流开关，所消耗的功率几乎等于MOSFET导通阻抗上I2RON损耗和静态电流总和，相比较输出到负载的功率几乎可忽略。所以，其效率远高于线性功放，如图5所示。非常适应现今绿色节能的要求，适合被平板等数字视听产品规模使用。
 

2 D类功放需要注意的关键点

在D类设计应用中需注意以下几点：

2．1 Deadtime(死区校正)

全桥MOSFET管轮流成对导通，理想状态一对导通，另一对截止，但实际上功率管的开启关断有一个过程。过渡过程中，必有一瞬间，如图3所示，在IN1／IN3尚未彻底关断时IN2／IN4就已开始导通；因MOSFET全部跨接于电源两端，故极端的时间内，可能会有很大的电压电流同时加在4个MOSFET上，导致功耗很大，整体效率下降，而且器件温升加剧，烧坏MOSFET，降低可靠性。为避免两对MOSFET同处导通状态，引起有潜在威胁的很大短路电流，应保证一对MOSFET导通和另一对MOSFET截止期间有一个很短的停滞死区时间(Dead-time)，这个时间由Logic逻辑控制器控制，以有效保证一组MOSFET关断后，另一组MOSFET再适时开启，减小MOSFET损耗，提高放大器效率。

但Deadtime设置不当，将出现如下问题：

　　(1)输出信号中将产生毛刺，造成电磁干扰，也即死区时间内，IN1／IN3都关断。完全失控的输出电压将受到图6(a)中体二极管电流的影响(体二极管电流的形成，参见下文EMI节)，输出波形中将出现毛刺干扰。

　　(2)Deadtime过大，输出波形中出现的毛刺包含的能量将持续消耗在体二极管中，以热能形式消耗能量，严重影响芯片工作稳定性和输出效率。

　　(3)Deadtime过长，影响放大器线性度，造成输出信号交越失真，时间越长，失真越严重。

2．2 EMI(Electro-Magnetic Interference)

EMI主要由MOSFET体二极管反向恢复电荷形成，具体产生机理如图6所示。
 

第一阶段，MP1-MOSFET导通，有电流流过MOSFET和后级LPF电感；第二阶段，全桥进入Dead-time期间，MP1本身关断，但其体二极管依然导通，保证后级电感继续续流；第三阶段，Deadtime期结束，MN1导通瞬间，若MP1体二极管存储的剩余电荷尚未完全释放，则瞬间释放上一次导通期间未释放的存储电荷，导致反向恢复电流激增，此电流趋向于形成一个尖脉冲，最终体现在输出波形上，如图6(b)所示。因此，输出频谱会在开关频率以及开关频率倍频处包含大量频谱能量，对外形成EMI。

为抑制EMI，以降低输出方波频率，减缓方波顶部脉冲为目的，将一些内部EMI消除电路新技术应用于新产品中：

　　(1)Dither。扩展频谱技术，即在规定范围内，周期性调整三角波采样时钟频率，基波和高次谐波避开敏感频段，使输出频谱能量平坦分散；

　　(2)增加主动辐射限制电路，输出瞬变时，主动控制输出MOSFET栅极，以避免后级感性负载续流引起高频辐射。

2．3 印制板PCB布局设计规则　

(1)因输出信号含大量高频方波，需将加入的低失真、低插入损耗LC滤波电容和铁氧体电感低通滤波器件紧密靠近功放，将承载高频电流的环路面积减至最小，以降低瞬态EMI辐射。

(2)因输出电流大，音频输出线径要宽，线长要减短，故需降低无源电阻RP和滤波器电阻RF，提高负载电阻RL比值，提高输出效率。

(3)PCB底部是热阻最低的散热通道，功放底部裸露散热铜皮面积要大，应尽可能在敷铜块与临近具有等电势的引脚以及其他元件间多覆铜，裸露焊盘相接的敷铜块用多个过孔连接到PCB板背面其他敷铜块上，该敷铜块在满足系统信号走线要求下，应具有尽可能大的面积，以保证芯片内核通过这些热阻最低的敷铜区域有最佳散热特性。

(4)大电流器件接地端附近，多加过孔，信号若跨接于PCB两层间，多加过孔提高连接可靠性，降低导通阻抗。

(5)信号输入端元件焊盘和信号线与输出端保持适当间距，关键反馈网络器件置放在输入／输出PCB布局模块中间，防止输出端EMI幅射影响输入端小信号。

(6)地线、电源线远离输入／输出级，采用单点接地方法。

4 结 语

介绍了模拟全桥D类功放拓扑结构，详细探讨了通过二阶巴特沃思滤波器设计和功放PCB布局，抑制了因Deadtime等产生的EMI。最后基于NXP公司D类功放TFA9810T，实现了一种新型绿色能效双通道D类音频放大器设计。仿真和测试结果表明，在供电电压约为15 V时，放大器可向两8 Ω扬声器提供10 W×2的输出功率，转换效率达90％，总谐波失真小于7％，1 kHz正弦波音频输出无交越失真，无明