对全桥,进一步减小导通损耗,要使MOSFET漏源的导通电阻RON尽量小。选取低开关频率和栅源电容小的MOSFET,加强前置驱动器的驱动能力。
1.4 LPF低通滤波级
LPF滤波器可消除PWM信号中电磁干扰和开关信号,提高效率,降低谐波失真,直接影响放大器带宽和THD,必须设置合适截止频率和滤波器滚降系数,以保证音频质量。对于视听产品,20 Hz~20 kHz为可听声;低于20 Hz为次声;高于20 kHz为超声。应用中一般设置截止频率为30 kHz,这个频率越低,信号带宽越窄,但过低会损伤信号质量,过高会有噪声混入。常用LPF滤波器一般有巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、考尔滤波器三种。巴特沃思滤波器在通带BW内最大平坦幅度特性好,易实现,因此视听产品多采用等效内阻小,输出功率大的LC二阶巴特沃思滤波器如图4所示。
1.5 负反馈
负反馈是LPF电路,将检测到的输出级音频成分反馈到输入级,与输入信号比较,对输出信号进行补偿、校正、噪声整形,以此改善功放线性度,降低电源中纹波(电源抑制比,PSRR)。负反馈可减小通带内因脉冲宽度调制、输出级和电源电压变化而产生的噪声,使输出PWM中低频成分总能与输入信号保持一致,以得到很好的THD,使声音更加丰富精确。
1.6 功耗效率分析
D类效率在THD<7%情况下,可达85%以上效率,远高于普及使用的最大理论效率78.5%的线性功放。根本原因在于输出级MOSFET完全工作在开关状态。理论上,D类功放效率为:
假设D类功放MOSFET导通电阻为RON,所有其他无源电阻为RP,滤波器电阻为RF,负载电阻为RL,则不考虑开关损耗的效率为:
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。