恰当使用D类功放有利于便携设备的电池寿命

D类音频功放电路已经投入使用数十年了。 相对于更普遍的线性AB类拓扑而言， D类功放的效率更高，体积更小。

AB类功放中，输出电压等于音箱和轨电压之差，并且随音频信号变换。 所以，其电量损耗就是这个电压和输出电流的积。

因为典型的工作效率是30%， 所以AB类输出端通常需要有散热器和风扇， 特别是其功率超过50W的时候。

相反，在D类功放中， 输出设备的转接和传输损耗占主导。 这些三极管(一般是工作在饱和状态的功率MOSFETs)可以达到90%以上的工作效率。通过一个无源LC滤波器使电源级的轨至轨输出平滑，从而复原音频信号。

在许多便携设备中，D类耳机功放有助于延长电池寿命和缩小设备的体积。 在高功率应用中， D类拓扑可以缩小设备的体积、重量和成本(通过显著缩小或者取消散热片)。

问题，解决方案

某些电路的运转会影响D类音频性能。其中比较显著的有:波形转换的上升沿和下降沿的时间、高低级桥接的延迟差别、高低级传输间隔中的空载时间还有转换时间的不稳定性。

上升沿和下降沿的时间由FET驱动器的输出电流的能力和FET的总的栅极电荷决定。空载时间产生了一个取决于信号的增益错误，导致了输出信号的变形。噪声影响了FET的转接时间，导致信号不稳定，从而影响了总谐波失真(THD)和音响效果。

为了降低THD和噪声，一些半导体厂商(比如:International Rectifier)提供了固体驱动器， 它能以±100V的电压提供1A或者更高的栅极驱动电流来驱动半桥拓扑达到500W功率级，而这种设计只有8ohm的阻抗。

这些驱动器可以包含在高低级转接器间的最大20ns的激光微调吞吐量匹配的功能。

最近， 生产厂商开发了一种驱动器， 它采用可编程修正空载时间来同时解决THD的三个来源问题:空载时间精度、延迟匹配和转接不稳定度。对这些器件来说，激光微调不但可以修正空载时间到几个离散的时间区段，而且从根本上消除了对延迟匹配的需求。

驱动器关掉一个FET之后，在它打开相对的转接器之前，通过一个强制编程的空载时间最大限度地降低了转接信号的不稳定性。 在这期间，系统排除了那些可能会影响转接时间的噪声信号。

空载时间的可编程性让用户可以设定驱动时间来满足电路的桥FET的需求。对于给定的拓扑， 功放设计者为了尽可能地提高输出功率， 不得不使用更大的桥FET，而这些桥FET的栅极总电荷也更大。对于给定的栅极驱动电流，功放越大需要的空载时间也就越长。

图1:IC栅极驱动器有益于简化D类功放设计并且其THD+N性能指标达到了最优的AB类功放

最普遍客观的功放性能评估就是THD-plus-noise (THD+N)测量。拥有上面提到的特征的D类驱动IC配合以谨慎的layout就会得到一个优秀的THD+N指标。

这种驱动器是一个400kHz的配有一个连接转换节点的反馈路径的自激振荡设计。其THD+N指标相当于或优于某些高端AB类功放得到的最好成绩。

故障保护

音频功放设计的挑战性问题之一就是故障保护，特别是针对在系统安装或再调试的过程中引起的输出短路的过载(OC)条件。离散健全保护系统使用分区评分(scores of parts)，这样可以节省板面空间但是却会影响可靠性。如果希望它们在电路正常运行中保持声透状态的话，那就需要一定的附加工程量。

图2:IC驱动器提供了可配置的过载断电保护，低压断电保护和一个浮动的前端界面

通过同时在高级和低级转接器里加入可编程过载保护，半桥驱动器可以增强保护功能，加强声透性，并且可以降低功放设计风险和周期。

保护电路使用每个转接器的RDS(on)作为电流感应单元。因此，只需再外加一些设计即可完成过载保护。图3展示了过载保护的工作状态。当过载发生时，输出被中断。输出电感安全地释放了它所存储的能量并且输出端电压始终保持在0V。

UVLO(低压断电)是另外一个重要的保护特征。如果电源低于IC的最小工作电压，它就无法驱动栅极，这样就在桥FETs里产生了直通电流。

在这些条件下，驱动器的UVLO关闭两个栅极。为了实现低压保护，驱动器IC通过VB和VS管脚来测知高端轨的栅极驱动控制功率，对低端轨来说则是通过VCC和COM管脚。

图3:过载断电保护(临界特征)顺利地为滤波器电感放电与此同时保证输出零电压

功放设计者可以通过CSD管脚来给驱动器的错误响应编程。这个管脚提供5个功能:自回复定时器、断电、锁存保护、断电状态输出和上电延迟定时器。

自回复定时器通过一个外部时间电容来设定断电间隔，超出这个时间间隔，驱动器会重新启动。这个功能还提供了一个上电延迟以便于在功放开始驱动音箱之前来稳定供电水平。

CSD脚可以作为一个远程断电信号输入端。如果一个外部器件，例如一个开漏微控制器的I/O管脚把CSD脚拉低，那么驱动器就会关闭。一旦这个外部器件释放了这个管脚，那么则有一个内部的电流源重新将外部的时间电容充电到之前的状态。

故障保护锁可以通过电阻和FET实现。它在驱动器重启之前需要一个明确的复位信号。只要在锁存状态电路里加一些设计就可以为锁存电路增加一个故障状态信号的输出功能。

浮动点控制

如果声音的改善和集成的故障保护还不够的话，今天的D类驱动器还提供了浮动点控制输入。这个结构大幅简化了功放和系统前端的交流。

这个IC突出了三个分离压阱的特点;其衬底作为低端轨的COM，高端轨对应VS，浮动点输入则对应于VSS。 控制电路可以以系统地端或者低轨为准。这个IC包含了五级移相器:三个通讯保护电路信号;两个栅极驱动信号。图2展示了三个分离压阱和5级移相器。

DirectFET的应用

在任何一个高频系统里，低layout和低器件干扰是达到高性能的基础。 DirectFET MOSFETs没有导线接头并且导线电感很小。

这种DirectFET器件降低了栅极和导电电路电感。小的栅极电路电感降低了转接延迟。比较低的源漏封装电感相比TO-220封装产生了更大的dV/dt而EMI更小。 DirectFET封装提供了低热抗和双面冷却的好处，这样就简化了热学设计。

优化转接器的参数可以得到最大的工作效率。供电部分的大小和成本随着转接频率的提升而下降。在图1中，一个单级双元LC输出滤波器给出了它在400kHz的结果。

实际应用中最好的MOSFET不一定要有最低的RDS(on)。频率提高的时候，转接损失成为了一个不可忽视的因素。因此，设计者一定要在总栅极电荷和RDS(on)之间找到一个最好的平衡。

图1的结果还取决于低MOSFET封装电感。这个120W，4OHM的设计既不需要散热片也不需要风扇。今天，针对D类应用的MOSFETs兼容了高压和高转接频率。