高性能高功率D类驱动器
2010-12-18 11:47:11
来源：《半导体器件应用》2009年1-2月刊
1 引言
D 类音频放大器电路已经问世十余年，与一般的线性 AB 类拓朴相比，D 类放大器不仅效率更高而且尺寸也更小。在一个 AB 类放大器上，经过其输出器件的电压等于扬声器和进线电压之间的电压差，并且会随音频信号的变化而变化。因此，功耗等于这个电压与输出电流的乘积。典型效率为 30％。结果，AB 类输出级通常需要具有散热器，如果允许，最好是一个风扇，特别是在功率水平超过 50W 的情况下更是如此。
相比之下，输出器件的转换和传导损耗在 D 类功率放大器中起主导作用。这些晶体管—以饱和状态下工作的功率 MOSFET 为代表—常规情况下可以实现 90％ 以上的效率。一个有源 LC 滤波器使功率级的轨到轨输出更加平滑，以恢复音频信号。运用于许多便携式系统中的 D 类耳机放大器能延长电池的寿命并使其小型化。高功率应用采用 D 类拓朴技术来缩减尺寸、重量和成本—显著表现为减少或除去了散热器的重量。
2 性能
有几种电路状态会影响 D 类音频放大器的性能，其中最显著的为开关工作波形的上升和下降时间，通过更高和更低桥开关的延迟差、更高和更低导通间隔之间的空载时间以及开关定时抖动。上升和下降时间取决于场效应管（FET）驱动器的输出电流性能和场效应管（FET）的总栅电荷量。空载时间会产生取决于信号的增益误差，进而导致输出失真。影响 FET 开关时间的噪声会引起抖动，这些抖动又将显著地影响总谐波失真（THD）和声音性能。
为了减少 THD 及噪声，半导体厂商提供了固态驱动器，可利用 ±100V 的性能提供 1A 或更多的门驱动电流来驱动半桥拓朴，使功率水平在 8Ω 的电阻下达到 500W。这些驱动可能包括与较高和较低开关之间最大 20ns 的激光微调过的瞬时测频完成时延匹配。最近，厂商开发了具有可编程固定空载时间的驱动器，来同时解决 THD 的三个来源：空载时间精度、延迟匹配和开关抖动。对于这些器件的激光微调不仅确定了面向几个离散时间间隔的空载时间，而且它自然消除了对于延迟匹配的需求。
当一个驱动器将一个 FET 关闭后，在接通反向开关前，通过强制一个可编程的空载时间来使开关抖动最小化。在此期间，系统拒绝那些影响开关时间的噪声信号。空载可编程性能让用户可以设定驱动时间来满足桥式电路 FET 的需要。由于放大器的设计者需针对一个给定的拓朴来提高最大输出功率，所以他们必须使用更大的 FET，其具有更高的总的栅电荷。对于一个给定的门驱动电流，一个更大的放大器将需要更长的空载时间。
对于放大器性能最通用的客观评估为 THD+N（总谐波失真加上噪声）量度。具有上述功能并且经过认真设计的印刷板将会形成一个具有出色的 THD+N 性能的半桥 D 类驱动器 IC（参见图 1）。驱动器是一种 400kHz 自振动设计，其带有来自开关结点的反馈路径。最后得出的 THD+N 等于或者超过高端 AB 类放大器所能获得的最佳结果。
3 保护功能
音频放大器设计面临的挑战之一就是故障保护功能的设计，特别是针对 OC（过流）状态的保护，这种状态的短路输出通常会发生在系统安装或重构的过程中。离散式鲁棒性保护系统使用数十个部件，从而大大占用了电路板空间并对稳定性产生了不利影响。如果它们要在正常操作中保持声音清晰，还需要有效的工程计划。
一个半桥驱动器，如国际整流器公司的 IRS20955，通过包括面向较高开关和较低开关的可编程 OC 保护，可以加强其保护功能，保证声音透明传输，减少放大器设计的风险并降低开发周期（参见图 2）。保护电路将每个开关的 RDS(on)（漏源导通电阻）用为电流感应元件。结果，仅需要很少的外部元件即可配置完整、严密的 OC 保护。
图 3 显示了运行中的 OC 保护。在 OC 状态后，输出切断。输出电感安全地释放出它所存储的能量，输入电压重置到零电压状态。
UVLO（欠压锁闭）是另一个重要的保护性能。如果电源电压低于 IC 的最小工作电压，它将不能完全地驱动那些门，由此将会导致 FET 中产生贯通电流。在这些条件下，驱动器的 UVLO 会关闭所有的门。为了进行欠压检测，驱动器 IC 对较高轨的 VB 和 VX 之间以及较低轨的 VCC 和 COM 间的门驱动控制功率进行感应。
放大器设计者都可以使用 CSD 引脚来为驱动器的故障响应编制程序。此引脚提供了五项功能：自动复位计时器，断开功能，锁闭保护，断开状态输出和上电延迟计时器。在驱动器重新启动后，自动复位计时器使用一个外部时标电容来设置中断间隔。这种功能也具有上电延迟的特性，因此，电源水平在放大器开始驱动扬声器前可以保持稳定。
CSD 引脚可以用作一个远程断电输入。如果一个外部器件，如开漏微控制器从 I/O 引脚将 CSD 引脚拉低，驱动器将会关闭。一旦外部器件释放出引脚，内部电流源会像前面情况中那样，对外部时标电容器快速充电。一个电阻和 FET 可以完成故障保护闭锁功能，要求在驱动器重新启动前，具有清晰的重置信号。仅通过几个部件来扩展锁闭模式的电路，使其又包括一个故障状态保护输出。
4 浮置输入端
如果声音改善和集成故障保护功能不够充分的话，当今的 D 类驱动器也会提供浮置控制输入功能。这个结构大大简化了放大器和系统前端的交互作用。
IC 具有三个独立的隔离电压井；IC 衬底用作在低端轨上的 COM，在高端轨上参考 VS，浮置输入端参考 VSS。控制电路可以参考系统接地轨或更低的轨。IC 包括五个电平转换：三个传输保护电路信号；两个作为门驱动信号。图 2 显示出三个隔离电压井和五个电平转换。
5 D 类 MOSFET
低的印刷版和组件寄生参数对于任何高频系统取得高性能效果都至关重要。DirectFET MOSFET 无连接线，引线电感很小。这类器件，如 IIR6645，减少了门电路电感以及传动系统电路电感。例如，更低的门电路电感减少了开关延迟。与 TO-220 封装相比，此封装在漏极和源引线中有较低的封装电感，利用更少的 EMI 实现了更大的 dV/dt。 DirectFET 封装提供了低热阻抗和双面冷却的额外效益，从而可以大大简化热设计。
对于开关特性的优化将获得最高的效率。随着开关频率的提高，电源的尺寸和成本都得到了压缩。在 400kHz 的频率下，一个单级双元件 LC 输出滤波器给出了图1中的两个结果。针对应用的最佳 MOSFET 不必要有最低的 RDS(on)。随着频率的增长，开关损耗开始成为主要因素。因此，设计者必须针对 RDS(on) 考虑总的栅电荷，以找到最佳的组合。图 1 的结果也取决于低 MOSFET 封装电感。这个 120W，4Ω 的设计既不要求散热器，也无需强制通风。目前，针对特定 D 类应用的 MOSFET 可以与高电压及高开关频率相兼容。
（下转P53）
D 类音频放大器电路已经问世十余年，与一般的线性 AB 类拓朴相比，D 类放大器不仅效率更高而且尺寸也更小。在一个 AB 类放大器上，经过其输出器件的电压等于扬声器和进线电压之间的电压差，并且会随音频信号的变化而变化。因此，功耗等于这个电压与输出电流的乘积。典型效率为 30％。结果，AB 类输出级通常需要具有散热器，如果允许，最好是一个风扇，特别是在功率水平超过 50W 的情况下更是如此。
相比之下，输出器件的转换和传导损耗在 D 类功率放大器中起主导作用。这些晶体管—以饱和状态下工作的功率 MOSFET 为代表—常规情况下可以实现 90％ 以上的效率。一个有源 LC 滤波器使功率级的轨到轨输出更加平滑，以恢复音频信号。运用于许多便携式系统中的 D 类耳机放大器能延长电池的寿命并使其小型化。高功率应用采用 D 类拓朴技术来缩减尺寸、重量和成本—显著表现为减少或除去了散热器的重量。
2 性能
有几种电路状态会影响 D 类音频放大器的性能，其中最显著的为开关工作波形的上升和下降时间，通过更高和更低桥开关的延迟差、更高和更低导通间隔之间的空载时间以及开关定时抖动。上升和下降时间取决于场效应管（FET）驱动器的输出电流性能和场效应管（FET）的总栅电荷量。空载时间会产生取决于信号的增益误差，进而导致输出失真。影响 FET 开关时间的噪声会引起抖动，这些抖动又将显著地影响总谐波失真（THD）和声音性能。
为了减少 THD 及噪声，半导体厂商提供了固态驱动器，可利用 ±100V 的性能提供 1A 或更多的门驱动电流来驱动半桥拓朴，使功率水平在 8Ω 的电阻下达到 500W。这些驱动可能包括与较高和较低开关之间最大 20ns 的激光微调过的瞬时测频完成时延匹配。最近，厂商开发了具有可编程固定空载时间的驱动器，来同时解决 THD 的三个来源：空载时间精度、延迟匹配和开关抖动。对于这些器件的激光微调不仅确定了面向几个离散时间间隔的空载时间，而且它自然消除了对于延迟匹配的需求。
当一个驱动器将一个 FET 关闭后，在接通反向开关前，通过强制一个可编程的空载时间来使开关抖动最小化。在此期间，系统拒绝那些影响开关时间的噪声信号。空载可编程性能让用户可以设定驱动时间来满足桥式电路 FET 的需要。由于放大器的设计者需针对一个给定的拓朴来提高最大输出功率，所以他们必须使用更大的 FET，其具有更高的总的栅电荷。对于一个给定的门驱动电流，一个更大的放大器将需要更长的空载时间。
对于放大器性能最通用的客观评估为 THD+N（总谐波失真加上噪声）量度。具有上述功能并且经过认真设计的印刷板将会形成一个具有出色的 THD+N 性能的半桥 D 类驱动器 IC（参见图 1）。驱动器是一种 400kHz 自振动设计，其带有来自开关结点的反馈路径。最后得出的 THD+N 等于或者超过高端 AB 类放大器所能获得的最佳结果。
3 保护功能
音频放大器设计面临的挑战之一就是故障保护功能的设计，特别是针对 OC（过流）状态的保护，这种状态的短路输出通常会发生在系统安装或重构的过程中。离散式鲁棒性保护系统使用数十个部件，从而大大占用了电路板空间并对稳定性产生了不利影响。如果它们要在正常操作中保持声音清晰，还需要有效的工程计划。
一个半桥驱动器，如国际整流器公司的 IRS20955，通过包括面向较高开关和较低开关的可编程 OC 保护，可以加强其保护功能，保证声音透明传输，减少放大器设计的风险并降低开发周期（参见图 2）。保护电路将每个开关的 RDS(on)（漏源导通电阻）用为电流感应元件。结果，仅需要很少的外部元件即可配置完整、严密的 OC 保护。
图 3 显示了运行中的 OC 保护。在 OC 状态后，输出切断。输出电感安全地释放出它所存储的能量，输入电压重置到零电压状态。
UVLO（欠压锁闭）是另一个重要的保护性能。如果电源电压低于 IC 的最小工作电压，它将不能完全地驱动那些门，由此将会导致 FET 中产生贯通电流。在这些条件下，驱动器的 UVLO 会关闭所有的门。为了进行欠压检测，驱动器 IC 对较高轨的 VB 和 VX 之间以及较低轨的 VCC 和 COM 间的门驱动控制功率进行感应。
放大器设计者都可以使用 CSD 引脚来为驱动器的故障响应编制程序。此引脚提供了五项功能：自动复位计时器，断开功能，锁闭保护，断开状态输出和上电延迟计时器。在驱动器重新启动后，自动复位计时器使用一个外部时标电容来设置中断间隔。这种功能也具有上电延迟的特性，因此，电源水平在放大器开始驱动扬声器前可以保持稳定。
CSD 引脚可以用作一个远程断电输入。如果一个外部器件，如开漏微控制器从 I/O 引脚将 CSD 引脚拉低，驱动器将会关闭。一旦外部器件释放出引脚，内部电流源会像前面情况中那样，对外部时标电容器快速充电。一个电阻和 FET 可以完成故障保护闭锁功能，要求在驱动器重新启动前，具有清晰的重置信号。仅通过几个部件来扩展锁闭模式的电路，使其又包括一个故障状态保护输出。
4 浮置输入端
如果声音改善和集成故障保护功能不够充分的话，当今的 D 类驱动器也会提供浮置控制输入功能。这个结构大大简化了放大器和系统前端的交互作用。
IC 具有三个独立的隔离电压井；IC 衬底用作在低端轨上的 COM，在高端轨上参考 VS，浮置输入端参考 VSS。控制电路可以参考系统接地轨或更低的轨。IC 包括五个电平转换：三个传输保护电路信号；两个作为门驱动信号。图 2 显示出三个隔离电压井和五个电平转换。
5 D 类 MOSFET
低的印刷版和组件寄生参数对于任何高频系统取得高性能效果都至关重要。DirectFET MOSFET 无连接线，引线电感很小。这类器件，如 IIR6645，减少了门电路电感以及传动系统电路电感。例如，更低的门电路电感减少了开关延迟。与 TO-220 封装相比，此封装在漏极和源引线中有较低的封装电感，利用更少的 EMI 实现了更大的 dV/dt。 DirectFET 封装提供了低热阻抗和双面冷却的额外效益，从而可以大大简化热设计。
对于开关特性的优化将获得最高的效率。随着开关频率的提高，电源的尺寸和成本都得到了压缩。在 400kHz 的频率下，一个单级双元件 LC 输出滤波器给出了图1中的两个结果。针对应用的最佳 MOSFET 不必要有最低的 RDS(on)。随着频率的增长，开关损耗开始成为主要因素。因此，设计者必须针对 RDS(on) 考虑总的栅电荷，以找到最佳的组合。图 1 的结果也取决于低 MOSFET 封装电感。这个 120W，4Ω 的设计既不要求散热器，也无需强制通风。目前，针对特定 D 类应用的 MOSFET 可以与高电压及高开关频率相兼容。
（下转P53）
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