创新设计全面提高D类放大器性能

目前随着便携式消费类电子产品(手机、MP3、便携式GPS等等)的日益流行,人们对电池工作时间的要求也越来越高。这样以效率高,失真小为特点的D类放大器就开始广泛地应用于这些产品当中。对于小功率音频产品,如手机、MP3、MP4等,使用D类放大器可以延长电池的使用寿命;对于大功率音频产品,如多媒体音箱、功放等,使用D类放大器可以省去散热片和使用小规格的变压器,在节能环保的同时也降低了产品的总体成本。

一向以创新而著称的埃派克森微电子（Apexone）涉足D类放大器市场后，先后推出了两款代表产品——A7003和A7013。A7003是双通道12W D类放大器，而A7013是单通道2.5W D类放大器。这两款D类放大器相对其他同类产品，由于其独特的架构和优化设计，性能上有了很大的提升。

埃派克森D类放大器的工作原理

与传统的AB类不同的是，D类音频放大器不是利用功率晶体管的线性工作区特性来放大音频信号，而是利用电压比较、脉宽调制等技术来放大音频信号，故有人也称D类放大器叫做数字功率放大器。

D类放大器将音频输入信号同高频率的三角波(或锯齿波)信号进行电压比较，将音频信号的振幅调制成脉冲宽度，即脉宽调制(PWM)，之后将PWM信号输出到CMOS晶体管的栅极，用以控制CMOS晶体管的导通和关闭，同时也在这个阶段对输出脉冲的功率进行放大, 最后将CMOS晶体管的输出信号连接到LC低通滤波器，将高频的PWM信号滤掉，从而还原放大后的音频信号。理论上D类放大器的效率是100%。

不同于其它公司的D类放大器， 埃派克森的A7003采用两极负反馈，即除了芯片内部输出级负反馈以外，在外围滤波器输出处又增加了一级负反馈到芯片内部，组成一个双闭环电路（如图1所示），这样做虽然增加了芯片设计难度，但却大大降低了因外围元器件的非线形而造成的失真。A7003的THD+N在1W输出时达到0.012%，远低于同类产品。

PWM载波频率的选择一般选择10倍以上的最大音频信号。一般人耳可识别的音频范围是20Hz-20kHz，因此，载波频率一般在200kHz以上。当CMOS晶体管以载波频率快速导通关断时，可能导致上下桥臂的CMOS晶体管直接导通，产生较大的冲击电流，影响芯片的温度，甚至烧坏芯片。为了避免这样的情况发生，一般采用在导通时序上增加死区时间来规避，在上桥臂关闭后，隔一段时间后才打开下桥臂，如图3。

图1：埃派克森D类放大器工作原理框架图。

图2：脉宽调制的原理图。

图3：输出控制时序的死区时间。

上述PWM的控制方法在没有音频信号输入的时候，会输出占空比为50%，相位相差180度的脉冲信号，设计不好会导致输出级产生直流偏置电压，不仅增加了输出级的功率损耗，同时还会影响喇叭的动态响应。为了解决这个问题，埃派克森D类放大器采用相位相同的PWM输出波形，在无输入信号的情况下，输出级输出50%占空比、相位相同的PWM，如图4所示。当有信号输入时，输出级一端占空比增加，而另一端占空比减少。通过输出PWM信号占空比的不断变化，在负载上产生不同的电压，如图5所示。

图4：无输入信号时PWM波形。

图5：有输入信号时PWM波形 。

埃派克森D类放大器的高效率

D类放大器的效率理论上可以达到100%，但实际上由于CMOS晶体管不是理想的开关，导通时的阻抗并不为0，因此输出级的等效电路图如图6。

图6：输出级的等效电路图。

那么，效率的计算公式应该是：.
假设CMOS晶体管导通电阻是0.3Ω，那么如果输出接4Ω的喇叭，其效率大概在87%左右；如果输出接8Ω的喇叭，其效率为93%。当然，除了导通电阻的损耗以外，还有前面提到的开关损耗，以及偏置电流损耗，输入电容充电损耗等等，所以一般的D类放大器在8Ω负载时效率为85%左右。但即便是这样，D类放大器的效率仍要比目前市场上广泛采用的AB类放大器效率高很多。

正因为其高效率，对于要求输出10W功率的时候，D类放大器只需要电源提供12W左右的功率，而AB类则需要电源提供20W左右的功率。这样选用D类放大器就可以选择相对较小的电源。同时，由于D类放大器的高效率，只有小部分的功率转换为热损耗，这样可以适当减少散热片的尺寸，甚至不用散热片。

图7：D类放大器与AB类放大器的效率比较。

图8 ：A7013EMI测试结果。

图9：埃派克森的 架构。

埃派克森的A7003在设计时将晶体管导通电阻进一步降低，提高了效率，在双通道12W满功率持续工作时都无需散热片。

高效率对延长那些利用电池供电的便携设备（手机、MP4等）的待机时间具有重要意义，埃派克森的A7013在接8Ω喇叭的情况下，可以达到92%的效率。在实际应用中，与相同功率级别的主流AB类放大器4990相比，在同等条件下，经测试A7013可以比4990延长41%的工作时间。

埃派克森D的放大器的EMI设计

由于D类放大器的载波频率较高，处理不当的话，会产生大量的高频谐波分量，甚至干扰其他设备的正常工作。尤其对带AM收音功能的设备，由于收音机的AM频段是525K到1600KHz之间，D类放大器的载波频率和它很接近，因此可能导致AM频段无法收音或有杂音干扰。

另外，对于小功率的D类放大器，大部分都采用了无滤波器设计，这种设计省去了输出级的滤波电感，利用喇叭本身的电感做滤波回路。这样做虽然降低了产品的总体成本，但喇叭引线会引起EMI辐射。

埃派克森的A7013由于其采用了拥有自主专利EFS架构，优化了前级比较电路，同时比一般Class D架构多一级反馈电路，它对外界的EMI干扰非常小，在实际应用中无需磁珠和其他特别设计，可以富有余量地通过FCC的EMI标准。

除此而外，EFS架构还提升了芯片的整体性能，减少了失真，使得PSRR和CMRR达到了81dB和82dB。详情可见表1的A7013与市场主要产品性能比较表。

正因为D类放大器的高效率，小尺寸的特点，D类放大器正在逐步取代传统的线性放大器，广泛的应用到手机，LCD TV等领域。

表1.埃派克森A7013与主要同类产品性能比较

郭辉

埃派克森微电子公司