在消费电子设备中发挥D类放大器优势的系统设计方法

在MP3播放器、移动电话、游戏控制台、LCD TV和家庭影院等各种消费电子音频应用中，开关放大器或D类放大器的重要性迅速提高。D类放大器最突出的优点是效率非常高，在实际应用中可高达85～90%，而线性AB类放大器在典型的收听水平下的效率通常只能达到25%左右。

在手持应用中，D类放大器的低功率耗散特性使得设计工程师可以在保证音频性能的同时，延长电池的充电间隔时间。对所有的个人通讯及音频设备来说，电池寿命都是一个关键的性能指标，而对音视频(AV)产品和游戏控制台等由电源供电的设备来说，D类放大器的高功率效率使得设备可以工作在较低的电源电压下，并减少发热。因此，设计工程师可选用较小的散热器以缩小产品尺寸，并降低材料成本和装配成本。事实上，经过仔细设计的电源可以在无需加散热器的情况下，提供每通道高达数瓦的输出功率。

D类放大器解决方案

在D类放大器中，音频信号与开关频率远高于音频范围的锯齿波进行比较(图1)，产生一个与锯齿波等周期的脉宽调制(PWM)方波。这个脉宽信号代表音频信号的一个样本。然后，PWM方波及其反相信号驱动MOSFET输出级(通常为H桥),产生经过放大的方波采样信号。最后，该采样信号由低通滤波器滤波之后，重新生成经过放大的音频信号。

由于MOSFET门电容的存在，提高开关频率将在输出级引起更大的损耗，但由于更高的开关频率可以提高PWM调制器的有效分辨率(与Σ-Δ调制器的过采样过程非常相似)，提高开关频率也能带来了一些好处，例如，可降低对输出滤波的要求，提高音频信噪比(SNR)。利用噪声整形技术可以进一步提高性能。以Wolfson公司的WM8608 D类放大器IC为例，当脉冲频率为384kHz(48kHz采样速率的8倍)时，信噪比可达100dB以上(A加权)。

保持内部时钟“干净”至关重要，因为任何抖动都会引起PWM信号边缘的定时发生随机变化，这会在模拟输出中产生噪声。因此，这个时钟是通过片上低噪声锁相环(PLL)，由系统主时钟生成的。只要主时钟足够“干净”，这就可以消除大部分抖动。因此，在D类放大器IC的内部直接生成主时钟也是可行的。这种方式将通过保持振荡器和片上PLL之间的连接，来防止来自开关输出级或其它地方的干扰影响时钟信号的质量。此外，它不需要外部PLL滤波元件。为了使噪声不影响为PLL供电的3.3V模拟电源，可在紧靠电源引脚的地方放置一个去耦滤波器。

图1：D类放大器具有两个输出级：第一级为将PCM输入转变成调制方波的比较器；第二级为输出端带有低通滤波器的半桥转换器。

功率级设计

功率桥(图2)的设计依赖于放大器的期望输出功率。例如，目前市面上已经有带耳机驱动器的D类放大器IC，以及带扬声器驱动器的D类放大器IC，输出级设计是这些配置的主要差别之一。为驱动扬声器而设计的放大器可以提供从低于1瓦到高达数瓦的输出功率，且无需散热器。利用这些IC，可以为从便携式媒体播放器(PMP)到游戏控制台和一些LCD TV等许多消费电子应用提供单芯片解决方案。对于上述大部分应用(特别是手持产品)来说，单芯片方案是不可缺的。

但为获得非常高的输出功率，可以把D类调制器IC与采用快速开关型功率MOSFET的外部输出级相结合。它们可以采用分立元件，也可以集成在一个单独的IC中。调制器必须提供一个相配的前置驱动器，而输出级MOSFET必须针对数字音频操作而经过优化设计。功率MOSFET的导通电阻R_on会发热并降低功率效率，因此该电阻应尽可能小。为尽量减少用来驱动MOSFET的电平转换器中的功率消耗和发热，还应减小MOSFET门电容。出于同样的考虑，减小电平转换器的输入电容也很重要。门电容高也将导致RC延迟，最终降低晶体管的开关速度。

一个不太明显的潜在问题是晶体管之间开关特性的匹配。例如，如果一个NMOS器件的导通速度比其对应PMOS器件的关断速度快得多，那么两个器件的导通时间可能会在信号边缘出现一小段重叠。当两个器件同时导通时，电源本质上是短路的，导致功率效率降低，热耗散增加，并且有可能使电源电压骤降而造成音频信号失真。为保持信号完整性，输出级(功率MOSFET和电平转换器)的开关延迟应该小于最小PWM脉冲宽度。

有一些厂商提供可直接连接到D类调制器IC输出端的集成式输出级。这些通常每个通道包含4个匹配的功率MOSFET的输出级也能完成PWM信号的电平变换：将放大器输出端的3.3V转换成能够控制功率器件的更高电压。

图2：带有半桥式输出级的D类放大器，但全H桥配置也很常见。