4通道D類音頻放大器原理及設計

在多通道設計中，獨立驅動每一條通道都會消耗更多的功率、更多的元件，并占用更大的電路板空間。結果導致溫度相關設計復雜化，并且在更高的成本下聲音質量和可靠性卻較低。

因此，為盡可能減少高性能多通道音頻系統的功耗和簡化相關的溫度管理，設計工程師一直希望借助能在寬輸出功率水平范圍下提供超過90%效率的高效D類音頻放大器。相比之下，適用于這個市場的傳統AB類放大器其效率只有50%左右，且效率會隨著輸出功率水平下降而快速下滑。同樣地，工程師還不斷研究集成式IC的效能，以減少元件數目和電路板面積。

不論是汽車娛樂還是家庭影院系統市場，消費者始終要求有更多的通道和揚聲器，每個通道還要能夠處理更高的音頻功率水平。除了更高的瓦特數，音響發燒友還不斷要求改善聲音質量，減少失真和噪聲，以及通道之間出色的隔離效果。

4通道驅動器

國際整流器公司(IR)根據這種需求，把先進DirectFET功率MOSFET與創新的集成音頻驅動器結合，開發出一種4通道D類音頻放大器設計，其性能可與單通道解決方案相媲美。為達到這個目標，電路采用了集成式音頻驅動器IRS2093M，該器件將4個高壓功率MOSFET驅動器的通道整合到同一塊芯片上。此外，這款200V的器件包含專為半橋拓樸中的D類音頻放大器應用而設計的片上誤差放大器、模擬PWM調制器、可編程預置死區時間以及可靠的保護功能(圖1) 。除了可以防止功率MOSFET出現直通電流和電流沖擊，可編程預置死區時間還實現了功率和通道數量可擴展的功率設計。這些保護功能包括帶有自動復位控制功能的過流保護(OCP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護。

圖1：這款200V器件除了把高壓功率MOSFETS驅動器的4條通道集成到同一芯片上，還配備了片上誤差放大器、模擬PWM調制器、可編程預置死區時間和先進保護功能。

為了在不同通道之間實現一流的隔離，音頻驅動器部署了已獲肯定的高壓結隔離技術和采用Gen 5 HVIC工藝的浮動柵極驅動器。這樣就在裸片上實現了良好的內部信號隔離，這使得電路可以同時處理更多通道的信號，從而把每個通道的基本噪音保持在非常低的水平，同時盡可能減小了通道之間的串擾。

接著，我們建構了如圖2所示的4通道半橋D類音頻放大器電路，它結合了集成式D類音頻控制器和柵極驅動器IRS2093M，并搭配8個IRF6665 DirectFET功率MOSFET以及幾個無源器件。該多通道音頻放大器的每個通道都被設計成能夠提供120W的輸出功率。為便于使用，該電路包含了所有必需的內部管理電源。

圖2：這款4通道半橋D類音頻放大器設計采用了集成式D類音頻控制器和IRS2093M柵極驅動器，以及8顆IRF6665 DirectFET MOSFET和一些無源器件。

為達到最佳整體性能，IRF6665功率MOSFET特別針對D類放大器設計進行了優化。除了提供低通態電阻，還對功率MOSFET做了改進以獲得最小柵極電荷、最小體二極管反向恢復和最小內部柵極電阻。此外，與傳統的引線鍵合封裝相比，DirectFET封裝可提供較低的寄生電感和電阻。簡單來說，經優化的IRF6665 MOSFET能夠提供高效率和低總諧波失真(THD)以及電磁干擾(EMI)。

特性和功能

為了以更小的空間提供最高性能和可靠的設計，這個4通道D類音效放大器解決方案采用自振蕩PWM調制。由于這種拓樸相當于一個模擬二階sigma-delta調制，且D類開關級在環內，因此在可聽頻率范圍內的誤差根據其工作特性被轉移到不可聽頻率之上，從而降低了噪聲。同時，sigma-delta調制允許設計師執行足夠的誤差校正來進一步降低噪聲和失真。

如圖2所示，自振蕩拓樸融合了前端集成器、PWM比較器、電平切換器、柵極驅動器和輸出低通濾波器(LPF)。盡管這種設計能夠以更高的頻率開關，但由于某些原因，它仍然以400kHz作為最佳開關頻率。首先，在較低頻率下，MOSFET的效率有所改善，但電感紋波電流上升，同時輸出PWM開關載波的漏電也會增加。其次，在較高頻率下，開關損耗會降低效率，但有機會實現更寬的頻寬。當電感紋波電流減少，鐵損耗就會攀升。

由于在D類音效放大器中，負載電流的方向隨音頻輸入信號改變，而過流狀況有可能在正電流周期或負電流周期中發生。因此，為同時保護高側和低側MOSFET免受兩個方向的過電流影響，用可編程過流保護(OCP)提供雙向保護，并以輸出MOSFET的RDS(on)作為電流感應電阻。在這個設計中，當測量的電流超過預設的臨界值，OCP邏輯便會輸出信號到保護電路，迫使HO和LO管腳置于低電平，從而保護MOSFET不受損害。

由于高壓IC的結構限制，高側和低側MOSFET的電流感應部署并不相同。例如，低側電流感應是基于器件在通態狀態下，低側MOSFET兩端的VDS。為防止瞬時過沖觸發OCP，在LO開通后加入一個消隱間隔，停止450ns過電流檢測。

低側過流感應的臨界電壓由OCSET管腳設定，范圍由0.5V到5.0V。如果為低側MOSFET測量的VDS超過了OCSET管腳對應COM的電壓，驅動器電路就會執行OCP保護程序。要設定過電流的關斷電平，可以利用以下的算式計算OCSET管腳的電壓：

為盡可能降低OCSET管腳上輸入偏置電流的影響，我們選擇了電阻值R4和R5，以便流過分壓器的電流達到0.5mA或更多。同時，通過一個電阻分壓器將VREF輸入到OCSET，改善了對電源電壓Vcc波動的抗擾性。

同樣地，對于正負載電流，高側過流感應也會監測負載條件，此時根據經CSH和Vs管腳高側開啟期間在MOSFET兩端測量的VDS進行監測。當負載電流超過預設的關斷電平，OCP保護便會停止開關運作。為防止瞬態過沖觸發OCP，可在HO開通后加入一個消隱間隔，停止450ns過流檢測。

與低側電流傳感不同，CSH管腳的臨界值內部固定在1.2V。但可利用外部電阻分壓器R2和R3來設定一個較高的臨界值。不論采用哪種方式，都要用外部阻流二極管D1去阻斷高電壓在高側斷路的情況下流向CSH管腳。基于跨越D1的0.6V正向電壓降，高側過流保護的最低臨界值是0.6V。

簡而言之，CSH管腳的臨界值VCSH可以用以下算式計算：

式中的ID是漏電流，而VF(D1)則是D1的正向壓降。此外，逆向阻流二極管D1經由一個10kΩ電阻R1進行正向偏置。

為防止直通或過沖電流通過兩個MOSFET，我們將一個名為死區時間的阻流時段插在高側關斷和低側開通，或低側關斷和高側開通之間。集成式驅動器讓設計師可以根據所選MOSFET的尺寸從一系列預設值中選擇適合的死區間來優化性能。事實上，只需兩個外部電阻來通過IRS2093的DT管腳設定死區時間。這樣便不需要采用外部的柵極定時調節，同時也能防止調節開關定時引入的外來噪聲，這對確保音效性能非常重要。

用戶在決定最佳死區時間時，必須考慮MOSFET的下降時間。這是因為對實際應用來說，由于開關的下降時間tf的關系，真正有效的死區時間與數據資料所提供的會有所不同。這意味著，要確定有效的死區時間，就要以數據資料中的死區時間值減去MOSFET柵極電壓的下降時間。

同樣地，在UVLO保護方面，驅動器會在正常運作開始之前監測電壓VAA和VCC的狀態，以確保兩個電壓都高于它們各自的臨界值。如果VAA或者VCC低于UVLO臨界值，IRS2093的保護邏輯便會關閉LO和HO。結果，功率MOSFET將停止運作直至VAA和VCC超過它們的UVLO臨界值。

此外，為了達到最理想的音效，4通道音頻電路板設計把模擬和開關部分之間的線路阻抗和相互耦合降到最低，并確保模擬信號與開關級和電源接地分開。

測量的性能

我們在正弦信號頻率為1kHz、1Vrms及4Ω負載阻抗的情況下，測量每個通道的效率、總諧波失真加噪聲(THD+N)和EMI性能。另外，我們為由圖2展示的4通道D類音效放大器設計進行測量，顯示其一流的隔離和串音性能。相關電路版的電源電壓有±35V，自振頻率則為400kHz。

如圖3所示，在4Ω負載、功率輸出為低于50W至120W的情況下，每通道的效率約為90%。對高通道效率作出貢獻的主要因素包括產生低通態和開關耗損的DirectFET MOSFET IRF6665。同時，因為集成式驅動器提供了安全死區時間，所以設計沒有出現交叉導通。

圖3：在4Ω負載下，功率輸出從低于50W輸出提高到120W，測量的效率曲線顯示每條通道的效率約為90%。

如此高的功效使這款4通道設計能夠處理八分之一的持續額定功率，也就是一般安全所需的正常工作環境，而無需使用任何額外的散熱片或強制空氣冷卻。

同樣地，針對失真進行的測試顯示，在廣泛的輸出功率范圍內，每條通道的THD+N性能都是一樣的。如圖4所示，當每條通道低于50W時THD+N便會小于0.01%，并會隨著輸出功率上升而增加。例如，當每條通道的輸出為100W左右，失真程度便會上升到0.02%。這種性能在整個20Hz到20kHz的音頻范圍內都會保持一致，即使輸出功率由每通道10W增加到50W(4Ω負載下)也不會改變。如圖5所示，每個通道的基噪在整個音頻范圍內都維持在-80dBv以下。噪聲是在無信號輸入和400kHz的自振頻率下測量。

圖4：當每個通道低于50W時，總諧波失真加噪聲(THD+N)便會少于0.01%，并會隨著輸出功率上升而開始增加。

為通道隔離進行的類似測試表明，在每條通道的輸出功率為60W的情況下，通道1和3，以及通道1和4之間的串音在整個音頻范圍內都優于-70dB。

同時，該設計在1kHz信號頻率下提供-68dB的良好電源抑制比(PSRR)。高PSRR源自驅動器的自振頻率。從而使得4通道D類放大器即使使用非穩壓電源，也能夠提供卓越的性能。

圖5：當無信號輸入時，每條通道的基噪在整個音頻范圍內都保持低于-80dBv。

本文小結

采用IRS2093M集成式驅動器的4通道D類音頻放大器解決方案，其效率、THD+N和EMI性能都可與單通道設計匹敵。此外，在整個可聽范圍內，基噪維持在-80dBv以下。同時，通道之間擁有出色的隔離來保持互調失真(IMD)處于最低水平，以提供理想的音效性能。隨著高效率免除了對散熱片的需要，集成式音頻驅動器成功以減少一半的占位面積實現了4通道D類音頻放大器解決方案。