新型绿色能效D类音频放大器设计应用

文章摘要：摘 要：基于NXP Class-D类TFA9810T芯片，实现一种具有立体声功能绿色能效模拟D类功率放大器设计，该音频放大器主要由全差分输入和全桥BTL输出结构的双通道功放和二阶巴特沃思滤波器构成。详细介绍模拟D类功放系统拓扑结构，PWM调制、输入和全桥输出、负反馈、LPF滤波器电路设计，重点探讨了死区校正、EMI抑制和PCB布局设计要素。仿真测试表明，供电电压15 V时，功放可向两个8 Ω扬声器提供10 W×2输出功率，实际转换效率可达90％，总谐波失真小于7％，1 kHz正弦波音频输出无交越失真，无明显EMI干扰，功放壳体相对温升25℃。关键词：D类功放；绿色能效；全桥；电磁干扰；印制板0

新型绿色能效D类音频放大器设计应用,标签：电子小制作,http://www.88dzw.com

摘 要：基于NXP Class-D类TFA9810T芯片，实现一种具有立体声功能绿色能效模拟D类功率放大器设计，该音频放大器主要由全差分输入和全桥BTL输出结构的双通道功放和二阶巴特沃思滤波器构成。详细介绍模拟D类功放系统拓扑结构，PWM调制、输入和全桥输出、负反馈、LPF滤波器电路设计，重点探讨了死区校正、EMI抑制和PCB布局设计要素。仿真测试表明，供电电压15 V时，功放可向两个8 Ω扬声器提供10 W×2输出功率，实际转换效率可达90％，总谐波失真小于7％，1 kHz正弦波音频输出无交越失真，无明显EMI干扰，功放壳体相对温升25℃。
关键词：D类功放；绿色能效；全桥；电磁干扰；印制板

0 引 言
    多媒体时代，传统A类、B类、AB类线性模拟音频放大器因效率低，能耗大，已不能满足电子视听类LCD／PDP／OLED／LCOS／PDA等绿色节能、高效、体积小等新发展趋势，而非线性音频放大器件Class-D类功放因具备节能、高效率、高输出功率、低温升效应、占用空间小等优点，将被纳入越来越多新产品设计中。D类放大器架构上分半桥非对称型和全桥对称型，而全桥类相对半桥型具有高达4倍的输出功率，更为高效；从信号适应上分模拟型和I2S全数字型，因全数字型尚处发展阶段，成本高，而模拟型因成本优势将在未来几年处于应用主流。本文重点剖析了全桥模拟型D类功放设计要素，实现了一种基于NXP公司新型绿色能效模拟D类功放TFA9810T电路设计，并重点对绿色节能高效、高输出功率、低温升效应、PCB布局、EMI抑制几个方面进行总结分析。

1 D类功率放大器原理特点
1．1 D类放大器系统结构
    D类放大器由积分移相、PWM调制模块、G栅级驱动、开关MOSFET电路、Logic辅助、输出滤波、负反馈、保护电路等部分组成。流程上首先将模拟输入信号调制成PWM方波信号，经过调制的PWM信号通过驱动电路驱动功率输出级，然后通过低通滤波滤除高频载波信号，原始信号被恢复，驱动扬声器发声，如图1所示。

1．2 调制级(PWM-Modulation)
    调制级就是A／D转换，对输入模拟音频信号采样，形成高低电平形式数字PWM信号。图2中，比较器同相输入端接音频信号源，反向端接功放内部时钟产生的三角波信号。在音频输入端信号电平高于三角波信号时，比较器输出高电平VH，反之，输出低电平VL，并将输入正弦波信号转换为宽度随正弦波幅度变化的PWM波。这是D类功放核心之一，必须要求三角波线性度好，振荡频率稳定，比较器精度高，速度快，产生的PWM方波上升、下降沿陡峭，深入调制措施参见文献[2]。
1．3 全桥输出级
    输出级是开关型放大器，输出摆幅为VCC，电路结构如图3所示。将MOSFET等效为理想开关，关断时，导通电流为零，无功率消耗；导通时，两端电压依然趋近为零，虽有电流存在，但功耗仍趋近零；整个工作周期，MOSFET基本无功率消耗，所以理论上D类功放的转换效率可接近100％，但考虑辅助电路功耗及MOSFET传导损耗，整体转换效率一般可达90％左右。因为转换效率很高，所以芯片本身消耗的热能小，温升也才很小，完全可以不考虑散热不良，因此被称为绿色能效D类功放。

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    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。

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