采用开关音频放大器有效节省电池能量

长期以来,线性放大器一直在音频领域占主导地位,随着对便携式消费类产品小体积、低功耗的需求增加,设计工程师开始寻求替代传统线性放大器的高效器件。开关音频放大器(D类)恰好在效率和失真之间提供了适当的平衡,可以满足便携式音频设备的效率和音效要求。

开关音频放大器的最简单形式是H桥和负载(如图1),H桥的负载包括喇叭阻抗和无源滤波器。H桥把电流引入喇叭,LC滤波器用于降低开关噪声。为了理解开关音频放大器(D类)比线性放大器更适合于便携式设备的原因,需对每种类型的特点加以比较,首先观察各种类型放大器的输出级。音频放大器的典型分类均基于其输出级,即使具有相同的输入级和增益级,不同输出级的放大器也有不同的特性和效率。

现有的输出级A类、B类、AB类和D类结构中,D类放大器的效率最高,A类、B类和AB类线性放大器输出级都需要提供不小的偏置电流。D类放大器不需要偏置电流,所以具有较高的效率,大大延长了电池寿命,但D类放大器产生较大的噪声和失真。由于便携式设备中允许通过牺牲线性度来提高效率,所以D类放大器是最好的选择。

A类放大器

A类放大器的输出级(图2)由偏置晶体管和电压跟随晶体管组成。由于每个晶体管工作在线性区域,所以这种类型的失真最小,非常适合高保真音响系统。恒定的线性指标是A类放大器的最大优点,图2中上端晶体管吸收相当大的电流,而且下端晶体管始终需要偏置电流才能处理峰值电流,信号幅度最大时对应的效率最大:

方程1

这类放大器在功率较大时会产生很大热量,不适合用于便携式设备。

B类放大器

B类放大器和A类放大器相比效率有所提高,其代价是失真较大。由于两个晶体管不会同时处在线性区域,B类放大器的最大效率为:

方程2

同样假设最大输出电压为V_CC,且V_CC = |V_EE|。因为B类放大器在整个动态范围内并非都是线性的,所以会产生失真。如图3所示,输入从V_EE变到V_CC 时,输出有的死区,这时两个晶体管都处于截止状态,这个死区会引起交叉失真。

AB类放大器

最常用的单片音频放大器是AB类放大器,在B类放大器中加入偏置电路, AB类放大器明显地降低了交越失真,效率几乎与B类放大器相同。当输入信号在到+之间时,偏置电路保证至少一个晶体管工作在线性区,当两个晶体管同时开启时,效率比B类放大器会略有下降,但是音频特性得到了明显改善。

D类放大器

正如前面所述,线性放大器即使有相同的输入级和增益级,输出放大级也可以完全不同。D类开关放大器从输入到输出完全不同于线性放大器,它实际上是一个开关方式的稳压器而不是放大器。

Maxim公司的立体声D类放大器MAX4297有两级输入前置放大器对信号进行滤波和电平转移,另外还包括锯齿波振荡器、两个比较器、两个MOSFET和两个H桥。每一个比较器采样音频信号,采样周期由振荡频率决定。所以振荡器频率对D类放大器的性能影响很大。比较器输出(图4)脉宽调制的方波,用于驱动H桥。H桥输出差动方波,构成低阻信号源给LC滤波器和负载。

非线性放大、信号重建和THD

D类放大器内部比较器把输入音频信号和锯齿波振荡信号进行比较,开关期间如果锯齿波大于输入信号则比较器输出低电平,相反则输出高电平(图5)。为了清楚地表明其对应关系,图5中的锯齿波频率与音频接近,而实际上却比最高音频分量高很多。

对于一定的输入信号电平,比较器输出是一个占空比调制的方波信号,周期由锯齿波振荡器的频率决定,它有效地采集音频输入。除了频率,放大器的动态范围由噪声幅度和锯齿波信号幅度决定。如果音频信号超过锯齿波振荡信号幅度,如果其占空比与音频信号等于锯齿波幅度的情况相同,此时输出会出现削波现象。PWM信号控制H桥驱动器,打开或者关闭状态相反的一对MOSFET,因此单一周期内反向电流可以流过负载(图1)。音频放大器中的信号一般被偏置在电源电压的中点,所以没有信号时,比较器输出的占空比是50%。

D类放大器导致的失真是显而易见的,THD是电路中的非线性引起的失真,D类放大器实际上是把音频信号变成了非线性方波,利用输出滤波器可以使D类放大器的THD小于1%。典型的输出滤波器是二阶LC低通滤波器,截止频率恰好设置在系统音频带宽之外。输出滤波器滤除H桥输出方波中的高频成分,使音频基本保持不变。

任何滤波器对阻带信号的抑制能力都是有限的,二阶LC低通滤波器也不例外,因此,会有少量的开关信号泄漏到负载端,而音频变送器不能重建这些频率成分,因此对最终结果不会有太大影响。即使喇叭能够重建这些高频分量,最终用户也是无法听到。而落在滤波器通带内的非线性成分会产生一定的THD或噪声,改善滤波器设计能够将其抑制在人耳能听见的电平以下。

滤波器设计

滤波器设计的好坏直接影响放大器的带宽和THD特性。适当的截止频率和滤波器滚降系数可以得到最小失真的音频信号。例如,截止频率为30kHz的滤波器通过20kHz的音频,误差小于1dB,对于16kHz的信号误差小于。应该根据具体情况选择输出滤波器的类型,对于大多数应用来说,最好选择具有平坦的通带和较好的相位响应的巴特沃斯滤波器。

输出滤波器的设计应该依据系统的频率响应和开关频率,频率越低,输出滤波器的截止频率就越低。例如,截止频率为30kHz的2阶平衡式无源RLC滤波器,足以满足250kHz的开关频率。输出滤波器的截止频率越低,放大器的带宽就越窄,这对于某些应用是可以接受的。例如,5kHz的截止频率足以满足电信设备的音频放大,但对于收音机或者CD播放器就不适合。

D类放大器中PWM输出方波的频率远大于人耳和喇叭的响应,所以人耳的有限频带宽度和喇叭的频率响应可以用于确定输出滤波器的开关频率。即使采用高频方波驱动喇叭可以产生不错的音频效果,D类放大器也需要输出滤波器,因为外部LC输出滤波器可以吸收开关频率的能量。没有输出滤波器,这些能量和音频信号能量将全部加到喇叭上,没有音频信号时,D类放大器仍然工作在开关状态,并提供电流给负载,所以D类放大器的高频特性会损坏喇叭。另外,输出滤波器同样可以降低电磁干扰。

振荡器频率设置

在设计D类放大器时,锯齿波振荡器的频率设置很重要,因为PWM输出频率决定了对输出滤波器的要求和输入音频的采样速率。选择振荡器频率大于十倍的最大音频频率(一般为20kHz),这样可使放大器的性能和器件尺寸达到最佳折衷。例如,250kHz的振荡频率允许选用小尺寸的15μH电感和1μF电容驱动4Ω负载,输出滤波器的带宽设置为30kHz。对于MAX4295,在250kHz的振荡频率和4Ω负载条件下,其THD小于0.3%,效率大于85%。

如果振荡器的频率低于十倍的音频频率,则采样速率较低,会引入失真。对于20 kHz的音频信号,振荡频率为200 kHz时,能够在十个PWM周期内重建输出信号,而振荡频率为100 kHz时需要五个PWM周期重建输出信号。如果是单音音频信号,采样速率的差别没有影响,而实际音频信号的频率可能在很短时间内发生变化,这样就会丢失少量输入信号。振荡频率低不仅会造成重建信号的误差,而且要求输出滤波器的截止频率较低,这使得滤波器的外部元器件较大,占用面积大,增加成本,而且缩小了放大器的带宽。但是,振荡频率较低时,MOSFET的开关频率较低,效率较高。反之,振荡频率较高时效率较低,但由于允许较高的输出滤波器截止频率,使得外部器件较小,成本低。此时,比较器和桥驱动器的上升速率在高频时非常关键,因为有限的上升速率会衰减峰值信号。

放大器效率

理论上,线性放大器在峰值功率的时候效率最大,为78%。D类放大器在整个动态范围内可以达到85%,THD小于1%。D类放大器的效率主要取决于输出级晶体管的工作区域,线性放大器的晶体管是工作在线性区域,而D类放大器的晶体管需要一定的偏置电流缓冲电压信号和驱动电流给负载。这个偏置电流(负载并不需要)由于产生了额外的电流消耗而降低效率。因为负载上的电压与PWM方波的占空比和滤波器有关,输出晶体管只需要把电流引入负载即可,所以允许输出晶体管,特别是MOSFET工作在线性区域,并吸收零偏置电流。

假设MOSFET导通电阻为R_ON,所有其它无源电阻为R_P,滤波器电阻为R_F,负载电阻为R_L。忽略开关损耗时效率为:

方程3

理想情况下除了负载电阻以外其它器件的电阻都为零,所以效率为:

方程4

由于输出功率与输出电流有关,而以上等式说明效率与输出电流无关,所以理论上D类放大器的效率在整个动态范围内是100%。

由于元器件并非理想器件,所以电路中器件的等效电阻显然会损耗功率。其次必须考虑MOSFET的开关损耗,如下式:

方程5

f_OSC是振荡器频率,t_ON和t_OFF是MOSFETs的开关时间,开关频率为1MHz,产生的效率损耗是250kHz开关频率时的4倍。考虑电阻损耗和开关损耗,其效率如下:

方程6

由此可以看出负载电阻相对其它电阻的比值越大效率越高。假设R_L = 4Ω, f_OSC = 250kHz, t_ON = t_OFF = 25ns, R_ON = 250mΩ, R_F = 25mΩ, and R_P = 80mΩ, η等于%。如果负载电阻为8Ω效率就增加到%。图5是D类放大器MAX4297驱动4Ω负载时在整个动态范围内测得的效率曲线,效率接近85%。

作者:Royce Higashi

应用工程师

Maxim公司