D類功率放大器電路設(shè)計(jì)方案與調(diào)試

1、D 類功率放大器電路設(shè)計(jì)與調(diào)試D 類放大器（數(shù)字音頻功率）是一種將輸入模擬音頻信號(hào)或PCM數(shù)字信息變換成 PWM（脈沖寬度調(diào)制）或 PDM（脈沖密度調(diào)制）的脈沖信號(hào)，然后用 PWM的脈沖信號(hào)去控制大功率開關(guān)器件通 / 斷音頻功率放大器。 D類放大或數(shù)字式放大器，是利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號(hào)的， 經(jīng)常被用于高效率的音頻放大器中。 在高保真音響設(shè)備和更高檔的家庭影院設(shè)備中， 往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率，這時(shí)，低失真、高效率的音頻放大器就顯得頗為重要，本文從實(shí)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款低失真、高效率的音頻放大器，與傳統(tǒng)放大器相比， 本放大器在效率、 體積以及功率消耗方面具有明顯的優(yōu)

2、勢(shì)，它產(chǎn)生的熱量小且為傳統(tǒng)放大器的一半，其效率在 78%以上，而傳統(tǒng)的放大器效率僅在 50%左右。1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)11 總體設(shè)計(jì)分析本系統(tǒng)由高效率功率放大器（D 類音頻功率放大器）、信號(hào)變換電路、外接測試儀表組成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。圖 1 系統(tǒng)方框圖12 D 類功放的設(shè)計(jì)D類放大器的架構(gòu)有對(duì)稱與非對(duì)稱兩大類，在此討論的 D類功放針對(duì)的是對(duì)功率、 體積都非常敏感的便攜式應(yīng)用， 因此采用全電橋的對(duì)稱型放大器，以充分利用其單一電源、系統(tǒng)小型化的特點(diǎn)。 D 類功率放大器由 PWM電路、開關(guān)功放電路及輸出濾波器組成， 原理框圖如圖 2所示。圖 2 D 類音頻功率放大器組成框圖采用了由比較器和三角波發(fā)生器

3、組成的固定頻率的 PWM電路，用輸入的音頻信號(hào)幅度對(duì)三角波進(jìn)行調(diào)制， 得到占空比隨音頻輸入信號(hào)幅度變化的方波， 并以相反的相位驅(qū)動(dòng)上下橋臂的功率管， 使功率管一個(gè)導(dǎo)通時(shí)另一個(gè)截止， 再經(jīng)輸出濾波器將方波轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號(hào)， 推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。 采用全橋的 D類放大器可以實(shí)現(xiàn)平衡輸出， 易于改善放大器的輸出濾波特性， 并可減少干擾。 全橋電路負(fù)載上的電壓峰峰值接近電源電壓的 2 倍，可采用單電源供電。實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采取 2 路輸出脈沖相位相反的方法。2 硬件電路設(shè)計(jì)21 原理分析D類功率放大器的工作過程是：當(dāng)輸入模擬音頻信號(hào)時(shí)，模擬音頻信號(hào)經(jīng)過 PWM調(diào)制器變成與其幅度相對(duì)應(yīng)脈寬的高頻率 PWM脈沖信號(hào)

4、，控制開關(guān)單元的開 / 關(guān)，經(jīng)脈沖推動(dòng)器驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大器工作，然后經(jīng)過功率低通濾波器帶動(dòng)揚(yáng)聲器工作。22 比較器比較器電路采用低功耗、 單電源工作的雙路比較器芯片LM311構(gòu)成。此處為提高系統(tǒng)效率，減少后級(jí)H橋中 CMOS管不必要的開合，用兩路偏置不同的三角波分別與音頻信號(hào)的上半部和下半部進(jìn)行比較，當(dāng)正端上的電位高于負(fù)端的電位時(shí)，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。這樣產(chǎn)生兩路相互對(duì)應(yīng)的 PWM波信號(hào)給后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行處理，雙路比較電路如圖 3 所示。圖 3 比較器電路此處值得注意的是將上半部比較處理為音頻信號(hào)接比較器的負(fù)向端、三角波信號(hào)接正向端； 下半部比較則相反， 這樣形成相互對(duì)應(yīng)，在

5、音頻信號(hào)的半部形成相應(yīng) PWM波時(shí)，另半部為低電平， 可保征后級(jí) H 橋中的 CMOS管沒有不必要的開合，以減少系統(tǒng)功率損耗。電路以音頻信號(hào)為調(diào)制波， 頻率為 70kHz 的三角波為載波， 兩路信號(hào)均加上25V的直流偏置電壓，通過比較器進(jìn)行比較，得到幅值相同，占空比隨音頻幅度變化的脈沖信號(hào)。LM311芯片的供電電壓為5V 單電源，為給V V提供 25V的靜態(tài)電位，取 R10R11，R8R9，4 個(gè)電阻均取 10k。由于三角波 Vpp2V，所以要求音頻信號(hào)的 Vpp 不能大于 2V，否則會(huì)使功放產(chǎn)生失真。由于比較器芯片 LM311的輸出級(jí)是集電極開路結(jié)構(gòu)， 輸出端須加上拉電阻，上拉電阻的阻值采用

6、 1k 的電阻。23 驅(qū)動(dòng)電路以及互補(bǔ)對(duì)稱輸出和低通濾波電路如圖 4 所示。將 PWM信號(hào)整形變換成互補(bǔ)對(duì)稱的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用 CD40106施密特觸發(fā)器并聯(lián)運(yùn)用以獲得較大的電流輸出， 送給由晶體三極管組成的互補(bǔ)對(duì)稱式射極跟隨器驅(qū)動(dòng)的輸出管， 保證了快速驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路晶體三極管選用 9012 和 9014 對(duì)管。H橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路對(duì)VMOSFET的要求是導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快，開啟電壓小。因輸出功率稍大于1W，屬小功率輸出，可選用功率相對(duì)較小、輸入電容較小、容易快速驅(qū)動(dòng)的對(duì)管，IRF9630 和IRFZ48NVMOS對(duì)管的參數(shù)能夠滿足上述要求，故采用之。實(shí)際電路如圖 4 所示。本設(shè)計(jì)采用4

7、階 Butterworth低通濾波器。圖 4 H 橋互補(bǔ)對(duì)稱輸出及低通濾波電路對(duì)濾波器的要求是上限頻率20kHz，在通頻帶內(nèi)特性基本平坦?；パa(bǔ) PWM開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)交替開啟Q6和 Q8或 Q12和 Q10，分別經(jīng)兩個(gè)4 階巴特沃茲濾波器濾波后推動(dòng)喇叭工作。3 電路測試31 調(diào)試步驟1）通頻帶的測量：在放大器電壓放大倍數(shù)為10，實(shí)測 3dB 通帶的上、下邊界頻率值。通頻帶測試時(shí)應(yīng)去掉測試用的RC濾波器。2）最大不失真輸出功率：放大倍數(shù)為10，輸入 1kHz 正弦信號(hào)，用毫伏表測量放大器輸出電壓有效值，計(jì)算最大輸出功率Pomax。3）輸入阻抗：在輸入回路中串入10k 電阻，放大器輸入端電壓下降應(yīng)小于

8、 50%。4）效率測量：輸入 1kHz 正弦波，放大倍數(shù)為 10 時(shí)，使輸出功率達(dá)到 500mW，測量功率放大器的電源電流 I （不包括測試用變換電路和顯示部分的電流） 。要求電源電壓 V 的范圍為 5（ 11%）V。效率為： 500mW%VI 。32 數(shù)據(jù)分析根據(jù)以上的調(diào)試步驟測量，測得數(shù)據(jù)如表1、表 2、表 3、圖 5、圖 6所示。圖 5 誤差放大（動(dòng)態(tài)）圖 6 最大不失真功率測試數(shù)據(jù)圖 5 展示了當(dāng)輸入信號(hào)的幅值不變， 僅改變其頻率， 動(dòng)態(tài)放大誤差效果圖。由圖可知，對(duì)于頻帶以外的信號(hào)，系統(tǒng)的放大倍數(shù)與輸出幅值有明顯降低。 對(duì)于當(dāng)信號(hào)頻率的升高導(dǎo)致 EMI（電磁干擾）增強(qiáng)，可以利用低通濾波

9、器降低干擾。功率放大器采用 5V 電源，前置放大器的放大倍數(shù)調(diào)到最大，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅值， 改變其頻率，測量其最大不失真輸出功率及效率見圖 6。對(duì)于頻帶以外的信號(hào)，功率放大器的最大不失真功率有明顯的降低。若要提高效率，可以降低載波頻率，但輸出電壓的諧波成分及失真增加；若要使輸出電壓非線性失真減少，則需提高 PWM 調(diào)制信號(hào)的頻率。盡管高頻干擾是 D類功率放大器現(xiàn)今存在的主要問題，但其高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，以越來越多的受到了人們的重視。從上面的數(shù)據(jù)可知， 功放的效率和最大不失真輸出功率與理論值還有一些差距，其原因有以下幾方面：1）在功放電路存在靜態(tài)損耗。 電路在靜態(tài)下是具有一定的功耗，測試其 5V 電源的靜態(tài)總電流約為 28mA，靜態(tài)功耗為： P損耗 528 140mW，則這部分的損耗對(duì)總