D類放大器如何提高能效以及降低功率要求和縮小尺寸

　　本文將解釋各種類型音頻放大器之間的差異，詳細介紹 D 類放大器的工作原理，并說明它們如何提高能效以及降低功率要求和縮小尺寸。

　　對于手持設備和便攜式物聯網設備而言，所采用的音頻電路需要具有低功率、小尺寸和低散熱的重要特性。但是，音頻放大器通常是低效的發熱器，需要笨重的散熱器。為了縮小尺寸和降低功率要求，D 類或數字放大器提供了一種不錯的解決方案。

　　D 類放大器之于音頻播放的優點正如開關模式電源之于電源的優點。借助 D 類放大器，音頻輸入被編碼為脈沖寬度調制（PWM）信號，可在開關電平之間驅動功率裝置，并且僅在轉換期間耗散功率。

　　這些“數字”放大器大大提高了音頻放大器的能效，從而降低了散熱，并縮小了物理尺寸。此外，最近的技術發展改變了調制方案，因此輸出端不再需要低通濾波器，從而進一步縮小尺寸和降低復雜性。

　　模擬功率放大器

　　模擬功率放大器的發展一直側重于提高保真度，同時提升放大器能效。根據工作點或偏置點以及導通時輸入信號周期的百分比，放大器可分為 A、B、AB 或 C 類放大器（圖 1）。

　　圖 1：A、B、AB 和 C 類模擬放大器的工作偏壓和信號傳導。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　A 類放大器（左上）在輸入信號的整個周期內導通。其偏置點位于輸入-輸出工作特性的中點。信號保真度出色，但由于放大器始終處于開啟狀態，即使沒有輸入信號，能效也通常較低。

　　B 類（左下）放大器旨在通過在截止頻率下偏置放大器來提高能效。放大器僅導通半個輸入周期。通常，電路配置為推挽拓撲，以放大正輸入和負輸入轉換。在沒有信號的情況下，放大器不會導通，從而提高了能效。由于在輸入極性的轉換點處可能發生交越失真，從而造成保真度損失，因此會抵消這一優勢。

　　若要解決交越失真問題，可以稍微向上移動放大器的偏置點。這樣就產生了 AB 類放大器（右上）。此類放大器通常也用于推挽式配置。AB 類放大器是音頻電源應用中最常見的類型。

　　C 類放大器（右下）設計用于在輸入周期的很小一部分上導通。它的特點是能效高，但保真度差。這些放大器適用于射頻功率設計，其中輸出負載是諧振電路，可恢復正確的波形。

　　有關提高這些模擬放大器能效的策略主要側重于：將放大器的導通相位降至盡可能最短的持續時間，如 C 類放大器所示。

　　D 類基礎知識

　　D 類放大器采用不同的方法，其工作方式與開關模式電源非常相似（圖 2）。

　　圖 2：D 類放大器將模擬輸入轉換為 PWM 波形，以完全打開或關閉 FET 開關。輸出低通濾波器可恢復揚聲器的模擬波形。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　D 類放大器將輸入模擬信號轉換為脈沖寬度調制（PWM）波形。PWM 波形為每個脈沖完全打開或關閉推挽式 FET 輸出級。當其中一個 FET 導通時，通過它的電流很高，但其上的電壓非常低，因此僅在導通和關斷狀態之間的短暫轉換期間消耗功率。同樣，當該 FET 關斷時，兩端的電壓很高，但電流接近零。此時，除了狀態轉換之外也沒有功率耗散。

　　通過將模擬波形應用于比較器的一個輸入，同時以所需開關頻率將三角波形或斜坡波形應用于另一個輸入，即可完成模擬波形到 PWM 波形的轉換（圖 3）。上方跡線代表輸入波形，在本例中為 10 千赫茲（kHz）正弦波，其應用于比較器的一個輸入。中間跡線是 250 kHz 三角波，其應用于比較器的另一個輸入。比較器輸出是下方跡線中顯示的 PWM 波形。脈沖寬度隨著輸入信號的幅度而變化。

　　圖 3：從模擬輸入創建 PWM 信號需要輸入信號（上方）和三角函數或斜坡函數（中間）。然后將兩者應用于比較器的輸入以產生 PWM 信號，其中脈沖寬度根據輸入信號幅度（下方）而變化。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　FET 推挽功率級的輸出也是 PWM 信號。這適用于簡單的電感器-電容器（L-C）低通濾波器，以恢復放大的模擬波形。三角波的頻率必須遠高于低通濾波器的轉折頻率。

　　PWM 的替代方案是脈沖密度調制（PDM）。PDM 使用一系列短持續時間的矩形脈沖，脈沖密度會發生變化，與模擬輸入幅度存在函數關系。它使用三角積分調制生成。

　　D 類放大器的增益受總線電壓的影響。雖然電源抑制比欠佳，但可以通過使用放大器周圍的反饋進行校正。此情形如圖 2 的框圖所示，其中反饋來自濾波器輸入。

　　D 類放大器的主要優點是能效高達 90% 左右。這遠勝于最接近的模擬競爭對手 AB 類放大器（能效為 50% 至 70%）。

　　高能效可實現更小的物理尺寸，并且可能無需使用散熱器和冷卻風扇。當應用于便攜式設備時，更高的能效意味著更長的電池壽命。能效直接隨輸出功率水平而變化，并隨功率下降而下降。

　　D 類放大器拓撲結構

　　D 類放大器通常使用兩種拓撲結構，其中較為簡單的結構是圖 4 所示的半橋電路。

　　圖 4：兩種常用的 D 類拓撲結構是半橋和全橋配置。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　全橋拓撲結構稱為橋接式負載（BTL），其優勢是在供電電壓與半橋配置相同時，可提供更高的輸出功率。半橋的濾波器輸入在正或負電源軌間擺動，而 BTL 電路在正負軌之間具有負載，同時使應用到負載的電壓翻倍，從而使功率輸出翻了四倍。BTL 操作還允許使用單個單極電源。

　　無濾波 D 類放大器

　　借助稱為 AD 調制的傳統 D 類開關系統，占空比可調制矩形波形，使其平均值對應于輸入模擬信號電壓。BTL 輸出相互補充。輸出中沒有明顯的共模開關內容。但是，由于 PWM 開關的平均值緣故，存在共模直流電壓。由于此直流電壓電平應用到負載兩側，因此不會增加其兩端的功率耗散。

　　在沒有輸入的情況下，放大器以其標稱 PWM 頻率開關，應用于負載的占空比為 50%。這導致負載中有明顯的電流流動和功率耗散。為了提高能效，需要使用 L-C 濾波器將電流降低到“紋波”。由于減少了負載耗散和輸出 FET 的 RDS（on）導通損耗，因此紋波電流越低，能效越高。

　　一種替代調制方案（通常稱為 BD 或無濾波器調制）使用開關系統來調制輸出信號差異的占空比，以便使其平均值與輸入模擬信號匹配。BTL 輸出在待機時彼此同相，而不是互補。這導致負載兩端的電壓差為零，從而無需濾波器即可最大程度地降低靜態功耗。BD 調制在其輸出中具有明顯的共模內容。該調制方案依賴于揚聲器的固有電感和人耳的帶通濾波器特性來恢復音頻信號。

　　D 類放大器集成電路

　　Texas Instruments TPA3116D2DADR 是一款 D 類立體聲放大器，能效》 90%，支持多路輸出功率配置，其中包括 2 條到 21 伏、4Ω BTL 負載的 50 瓦通道。該系列中的其他型號支持 2 條到 24 伏、8 Ω 的 30 瓦通道，以及 2 條到 15 伏、8 Ω 的 15 瓦通道。只有最高功率裝置才需要散熱器。

　　這些裝置支持高達 1.2 MHz 的開關頻率，可避免 AM，以防止干擾。AD 或 BD 調制方案可通過單個輸入控制進行選擇。它包括集成自保護電路，包括過壓、欠壓、過熱、DC 檢測和短路，具有錯誤報告功能。下面使用 TI 的 TINA-TI 仿真工具顯示了典型配置（圖 5）。

　　圖 5：TI TPA3116D2DADR D 類立體聲放大器仿真，其中顯示 BD 調制的原始（VM3）和濾波（VM1）輸出波形。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　該電路使用單個 12 伏電源，輸出功率為 12.5 瓦到 4 Ω。虛擬示波器顯示原始數字輸出（VM3）以及濾波輸出（VM1）。

　　Texas Instruments TPA3126D2DAD 是 TPA3116D2 系列的性能升級。該器件與舊式 IC 為引腳對引腳兼容，并采用專有混合調制方案，將待機電流降低 70%，從而實現了很大改進。該方案降低了低功率水平下的待機電流，從而延長電池壽命。

　　在設計 D 類放大器時，需要多加留意低功耗操作。如前所述，能效與功率水平成正比，而低功率水平通常意味著能效較低。Texas Instruments TPA2001D2PWPR 是一款屬于第三代 D 類設計的每通道 1 瓦的立體聲 D 類放大器。它具有更低的電源電流、更低的本底噪聲和更高的能效。由于圍繞 D 類無濾波器調制方案而設計，無需輸出濾波器，從而為設計人員節省部件成本和板空間。它可以使用 5 伏電源提供到 8 Ω 的每通道 1 瓦以上的功率。

　　參考設計可用作評估板 TPA2001D2EVM，形成即插即用的 D 類音頻放大器（圖 6）。