潘少祠，雷久淮，王 微，姚 島

(廣東省科學(xué)院電子電器研究所，廣東 廣州)

引言

目前音頻功率放大器的應(yīng)用已經(jīng)從原來(lái)的模擬線(xiàn)性功放A 類(lèi)，B 類(lèi)，AB 類(lèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向D 類(lèi)音頻放大器并廣泛普及應(yīng)用，在眾多領(lǐng)域已經(jīng)取代線(xiàn)性功放；D類(lèi)音頻放大器也稱(chēng)數(shù)字功放或D 類(lèi)音頻功放，D 類(lèi)音頻功放在效率和功耗上已經(jīng)得到了很大的提升，但還有進(jìn)一步提升的空間，特別是在尺寸、電路和結(jié)構(gòu)，以及工程設(shè)計(jì)應(yīng)用和生產(chǎn)方面。本文通過(guò)對(duì)一種圖騰柱功率放大電路和結(jié)構(gòu)研究，及其應(yīng)用到D 類(lèi)音頻功放[1]，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少電路PCB 尺寸及縮小散熱器體積，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)思路[2]，實(shí)現(xiàn)D 類(lèi)音頻功放使用場(chǎng)景中的靈活擴(kuò)展和組合應(yīng)用。

1 原理與設(shè)計(jì)

目前D 類(lèi)音頻功放電路主要有半橋式和全橋式結(jié)構(gòu)，輸出類(lèi)型有互補(bǔ)型和圖騰柱型?；パa(bǔ)結(jié)構(gòu)允許單端輸入，但是卻存在較大缺陷，上下管可能會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。圖騰柱結(jié)構(gòu)采用雙驅(qū)動(dòng)輸出，可設(shè)置死區(qū)時(shí)間，避免了上下管的同時(shí)導(dǎo)通。圖騰柱電路結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于D 類(lèi)音頻功放，其失真度隨著采樣頻率的提高，現(xiàn)在的D 類(lèi)音頻功放已經(jīng)可以達(dá)到線(xiàn)性功放的失真度水平[3-4]，其他關(guān)鍵指標(biāo)：效率和電磁兼容，而電磁兼容等問(wèn)題還是主要面臨的問(wèn)題，電路工作時(shí)功率管的開(kāi)通、關(guān)閉和導(dǎo)通都會(huì)消耗功率，隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，功率管的導(dǎo)通電阻已經(jīng)降低到毫歐級(jí)別，而功率管的開(kāi)啟和關(guān)閉是主要功耗來(lái)源[5-6]。通過(guò)電路和結(jié)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)電路選擇合適的工作點(diǎn)可以讓D類(lèi)音頻功放保持最佳的工作效率，同時(shí)失真度基本不影響，還可以改善電磁兼容EMI 性能[7-8]。

1.1 電路分析

結(jié)合圖騰柱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行D 類(lèi)音頻功放的效率分析，如圖1 所示。通常圖騰柱電路器件和輸出結(jié)構(gòu)器件設(shè)計(jì)決定著整個(gè)電路的效率。

圖1 半橋圖騰柱結(jié)構(gòu)

其中T 為采樣信號(hào)周期，當(dāng)線(xiàn)性負(fù)載時(shí)有I=IL。

根據(jù)公式（6），預(yù)設(shè)功率管的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程時(shí)間固定，得到采樣頻率與電路效率的關(guān)系曲線(xiàn)。在D類(lèi)放大電路中，采樣頻率越高，電路的效率會(huì)降低。

而根據(jù)公式t=N/fs，fs 為采樣頻率，在1 kHz 正弦波中，采樣率越高說(shuō)明采樣的點(diǎn)越多，波形越接近于真實(shí)波形，波形的線(xiàn)性失真越小。

因此在高效率與低失真之間只能折中，而實(shí)際中線(xiàn)性失真對(duì)于人耳的聽(tīng)覺(jué)分辨其實(shí)影響還不是關(guān)鍵的，總諧波失真在1%以下，一般耳朵分辨不出來(lái)。因此在設(shè)計(jì)中更加著重考慮電路效率和電磁兼容的問(wèn)題?？此浦皇莾蓚€(gè)問(wèn)題其實(shí)還會(huì)影響到散熱、結(jié)構(gòu)、電路布局、布板和外形等。

1.2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)電路的參數(shù)如表1 所示。

表1 電路設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2.1 原理圖分析

采用圖騰柱結(jié)構(gòu)的D 類(lèi)音頻功放，主電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采取高低側(cè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輸出，高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)供電采用電容升壓電路可以減少電路器件[3]。直流偏壓反饋采樣控制零點(diǎn)電壓動(dòng)態(tài)平衡，輸入設(shè)計(jì)RC 帶通濾波電路，輸出電感采用扁平貼片功率電感，能夠減少漏磁，改善電磁兼容EMI 特性，電感直流電阻在幾十毫歐，基本不影響音頻輸出；濾波電容使用材質(zhì)X7R 高頻特性較好的MLCC 封裝電容。電路中與電磁兼容EMI 關(guān)聯(lián)的主要元件關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。

表2 效率測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 D 類(lèi)音頻功率放大器主電路結(jié)構(gòu)

與電磁兼容EMI 相關(guān)的除了元器件，電路布線(xiàn)也是其關(guān)鍵，如圖2 電路中兩個(gè)功率回路對(duì)電磁兼容EMI 高頻影響比較重要，實(shí)際布線(xiàn)電路的環(huán)面積和濾波回路對(duì)電磁兼容特性有重要影響，要求環(huán)路面積盡量小，高頻回路阻抗盡量低。

電路的電磁兼容特性仿真分析，根據(jù)圖2 所示電路進(jìn)行仿真，仿真波形采集濾波電感的濾波前信號(hào)EMIH 和濾波電感的濾波后信號(hào)EMIL，對(duì)信號(hào)EMIH和信號(hào)EMIL 進(jìn)行頻域分析，得到如圖3 所示的頻譜，從頻譜圖中可以看到，沒(méi)有濾波的信號(hào)EMIH 含有豐富的高頻分量頻譜，而且幅度值都大于10 000 uV，即大于80 dBuV，如果沒(méi)有濾波電路，直接經(jīng)后級(jí)引線(xiàn)輸出會(huì)造成嚴(yán)重的EMI 輻射騷擾，而不能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中電磁兼容的要求。經(jīng)過(guò)濾波后的信號(hào)EMIL，其頻譜曲線(xiàn)幾乎沒(méi)有高頻分量，其值已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的限制值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 信號(hào)EMIH 和信號(hào)EMIL 的仿真頻譜對(duì)比

1.2.2 電路板圖設(shè)計(jì)

根據(jù)表1 和圖2 研究?jī)?nèi)容分析，設(shè)計(jì)電路印制版圖，主要從兩個(gè)方面考慮：電路性能和散熱性能，具體考慮因素主要包括：布局、布線(xiàn)、安裝結(jié)構(gòu)、電磁兼容、散熱、電氣安全等。

如圖4 所示，是設(shè)計(jì)好的電路布局布線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖，圖中PCB 板中是高頻信號(hào)經(jīng)電感的走向，由圖中分析可知，為電感濾波提供了很好的高頻回路，主要特點(diǎn)：環(huán)路面積小，濾波單元靠近高頻發(fā)射端，因此能有效降低電路的電磁兼容EMI。

圖4 PCB 板電磁兼容高頻信號(hào)分析

功率管的散熱通過(guò)貼裝到平面散熱器，能有效增大散熱面積而體積增加很少，整體電路和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔清晰，有利于工程化應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

電路圖布線(xiàn)制板的實(shí)物尺寸80 mm×42 mm×20 mm，主要包括：主電路板結(jié)構(gòu)，散熱器結(jié)構(gòu)，各功能接口。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測(cè)試條件：輸入信號(hào)是1 kHz500 mVpp 正弦波，負(fù)載是4 Ω 線(xiàn)性電阻，負(fù)載輸出線(xiàn)纜長(zhǎng)度1 m。

實(shí)驗(yàn)與測(cè)試進(jìn)行了效率測(cè)試，電磁兼容測(cè)試和電路放大波形分析，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析并得出結(jié)論。

2.1 效率測(cè)試

效率測(cè)試條件和結(jié)果如表2 所示。

從測(cè)試數(shù)據(jù)看，測(cè)試電路的效率結(jié)果與設(shè)計(jì)基本一致，符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 電磁兼容測(cè)試

額定功率下電磁兼容測(cè)試輻射騷擾測(cè)試結(jié)果如表3 所示。在測(cè)試天線(xiàn)水平和垂直兩個(gè)極化方向下，測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求，低于限值6 dB 以上。

表3 電磁兼容測(cè)試輻射騷擾測(cè)試結(jié)果

2.3 波形測(cè)試分析

對(duì)D 類(lèi)音頻功放實(shí)物模型測(cè)量其信號(hào)放大后的波形，經(jīng)電路放大后信號(hào)的波形比較平滑，沒(méi)有過(guò)充振鈴；如果放大信號(hào)中出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，振鈴現(xiàn)象對(duì)電磁兼容EMI 影響比較大，振鈴波形中含有比較豐富的高頻分量，經(jīng)輸出線(xiàn)纜向外輻射，此時(shí)再采取措施進(jìn)行處理電磁兼容EMI 問(wèn)題比較困難，可使用的方法和手段比較有限，而且常常很被動(dòng)效果不佳。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，此D 類(lèi)音頻功放實(shí)物模型對(duì)所研究的電路和結(jié)構(gòu)均已得到驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)與理論研究結(jié)論相符，驗(yàn)證了電路和結(jié)構(gòu)的可行性。

3 結(jié)論

限于研究時(shí)間，只進(jìn)行了特定功率范圍內(nèi)圖騰柱結(jié)構(gòu)電路的效率、實(shí)際電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁兼容等方面的研究。通過(guò)對(duì)圖騰柱結(jié)構(gòu)的D 類(lèi)音頻功放電路和結(jié)構(gòu)的研究，經(jīng)過(guò)理論分析，電路設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論研究相互驗(yàn)證。著重對(duì)電路的效率、電路性能、電磁兼容性進(jìn)行了優(yōu)化，特別是在電磁兼容的EMI 特性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了電路板優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免了產(chǎn)品在出現(xiàn)不合格時(shí)通過(guò)外部增加器件進(jìn)行整改，影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、可靠性和生產(chǎn)。同時(shí)，確保電路電磁兼容性能也能保持電路的較高效率，對(duì)此類(lèi)電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有工程化設(shè)計(jì)參考價(jià)值。