發布日期：2022-07-14 點擊率：37
一向以創新而著稱的埃派克森微電子(Apexone)涉足D類放大器市場后,先后推出了兩款代表產品——A7003和A7013。A7003是雙通道12W D類放大器,而A7013是單通道 D類放大器。這兩款D類放大器相對其他同類產品,由于其獨特的架構和優化設計,性能上有了很大的提升。
埃派克森D類放大器的工作原理
與傳統的AB類不同的是,D類音頻放大器不是利用功率晶體管的線性工作區特性來放大音頻信號,而是利用電壓比較、脈寬調制等技術來放大音頻信號,故有人也稱D類放大器叫做數字功率放大器。
D類放大器將音頻輸入信號同高頻率的三角波(或鋸齒波)信號進行電壓比較,將音頻信號的振幅調制成脈沖寬度,即脈寬調制(PWM),之后將PWM信號輸出到CMOS晶體管的柵極,用以控制CMOS晶體管的導通和關閉,同時也在這個階段對輸出脈沖的功率進行放大, 最后將CMOS晶體管的輸出信號連接到LC低通濾波器,將高頻的PWM信號濾掉,從而還原放大后的音頻信號。理論上D類放大器的效率是100%。
不同于其它公司的D類放大器, 埃派克森的A7003采用兩極負反饋,即除了芯片內部輸出級負反饋以外,在外圍濾波器輸出處又增加了一級負反饋到芯片內部,組成一個雙閉環電路(如圖1所示),這樣做雖然增加了芯片設計難度,但卻大大降低了因外圍元器件的非線形而造成的失真。A7003的THD+N在1W輸出時達到%,遠低于同類產品。
PWM載波頻率的選擇一般選擇10倍以上的最大音頻信號。一般人耳可識別的音頻范圍是20Hz-20kHz,因此,載波頻率一般在200kHz以上。當CMOS晶體管以載波頻率快速導通關斷時,可能導致上下橋臂的CMOS晶體管直接導通,產生較大的沖擊電流,影響芯片的溫度,甚至燒壞芯片。為了避免這樣的情況發生,一般采用在導通時序上增加死區時間來規避,在上橋臂關閉后,隔一段時間后才打開下橋臂,如圖3。
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圖1:埃派克森D類放大器工作原理框架圖。
圖2:脈寬調制的原理圖。
圖3:輸出控制時序的死區時間。
上述PWM的控制方法在沒有音頻信號輸入的時候,會輸出占空比為50%,相位相差180度的脈沖信號,設計不好會導致輸出級產生直流偏置電壓,不僅增加了輸出級的功率損耗,同時還會影響喇叭的動態響應。為了解決這個問題,埃派克森D類放大器采用相位相同的PWM輸出波形,在無輸入信號的情況下,輸出級輸出50%占空比、相位相同的PWM,如圖4所示。當有信號輸入時,輸出級一端占空比增加,而另一端占空比減少。通過輸出PWM信號占空比的不斷變化,在負載上產生不同的電壓,如圖5所示。
圖4:無輸入信號時PWM波形。
圖5:有輸入信號時PWM波形 。
埃派克森D類放大器的高效率
D類放大器的效率理論上可以達到100%,但實際上由于CMOS晶體管不是理想的開關,導通時的阻抗并不為0,因此輸出級的等效電路圖如圖6。
圖6:輸出級的等效電路圖。
那么,效率的計算公式應該是:.
假設CMOS晶體管導通電阻是0.3Ω,那么如果輸出接4Ω的喇叭,其效率大概在87%左右；如果輸出接8Ω的喇叭,其效率為93%。當然,除了導通電阻的損耗以外,還有前面提到的開關損耗,以及偏置電流損耗,輸入電容充電損耗等等,所以一般的D類放大器在8Ω負載時效率為85%左右。但即便是這樣,D類放大器的效率仍要比目前市場上廣泛采用的AB類放大器效率高很多。
正因為其高效率,對于要求輸出10W功率的時候,D類放大器只需要電源提供12W左右的功率,而AB類則需要電源提供20W左右的功率。這樣選用D類放大器就可以選擇相對較小的電源。同時,由于D類放大器的高效率,只有小部分的功率轉換為熱損耗,這樣可以適當減少散熱片的尺寸,甚至不用散熱片。
圖7:D類放大器與AB類放大器的效率比較。
圖8 :A7013EMI測試結果。
圖9:埃派克森的 架構。
埃派克森的A7003在設計時將晶體管導通電阻進一步降低,提高了效率,在雙通道12W滿功率持續工作時都無需散熱片。
高效率對延長那些利用電池供電的便攜設備(手機、MP4等)的待機時間具有重要意義,埃派克森的A7013在接8Ω喇叭的情況下,可以達到92%的效率。在實際應用中,與相同功率級別的主流AB類放大器4990相比,在同等條件下,經測試A7013可以比4990延長41%的工作時間。
埃派克森D的放大器的EMI設計
由于D類放大器的載波頻率較高,處理不當的話,會產生大量的高頻諧波分量,甚至干擾其他設備的正常工作。尤其對帶AM收音功能的設備,由于收音機的AM頻段是525K到1600KHz之間,D類放大器的載波頻率和它很接近,因此可能導致AM頻段無法收音或有雜音干擾。
另外,對于小功率的D類放大器,大部分都采用了無濾波器設計,這種設計省去了輸出級的濾波電感,利用喇叭本身的電感做濾波回路。這樣做雖然降低了產品的總體成本,但喇叭引線會引起EMI輻射。
埃派克森的A7013由于其采用了擁有自主專利EFS架構,優化了前級比較電路,同時比一般Class D架構多一級反饋電路,它對外界的EMI干擾非常小,在實際應用中無需磁珠和其他特別設計,可以富有余量地通過FCC的EMI標準。
除此而外,EFS架構還提升了芯片的整體性能,減少了失真,使得PSRR和CMRR達到了81dB和82dB。詳情可見表1的A7013與市場主要產品性能比較表。
正因為D類放大器的高效率,小尺寸的特點,D類放大器正在逐步取代傳統的線性放大器,廣泛的應用到手機,LCD TV等領域。
表1.埃派克森A7013與主要同類產品性能比較
郭輝
埃派克森微電子公司
