D类提高音频放大器的效率

技术分类: 模拟设计  消费电子设计  | 2006-04-04
作者:德州仪器公司Mike Score

       PWM波形中的音频信号在频域中要容易发现得多。PWM信号由输入频率、开关频率以及开关频率加边频带的谐波构成。图5显示了振幅对输入的频率、PWM输出以及经过滤的输出。图5还显示了音频信号如何从PWM中通过低通过滤提取出来。已过滤的输出具备1 kHz正弦波频率组件,任何作为失真出现于音频带中的1 kHz谐波,以及任何从开关频率中遗留的纹波电压。扬声器不能复制开关频率及其谐波,即便扬声器可以复制,耳朵也听不到。如果将经过滤与未过滤的PWM信号都直接发送给扬声器的话,听者不会发现图5中二者间的差别。

显示输入信号

图5 显示输入信号、输出前过滤器以及输出后过滤器的幅度与频率相位

       线性放大器可为所需的输出电压提供定量的电流。在桥接式负载 (BTL) AB 类放大器中,电源电流与输出电流相等。D类放大器是一套采样系统,可在给定周期向负载提供定量功率。D 类放大器输出脉宽调制 (PWM) 信号,并使用去藕电容器与输出过滤电感器 (filter inductor) 或扬声器电感(对于无过滤器调制而言)作为能量存储元素,从而能从电源向负载提供定量的功率。PWM信号在电源轨之间进行输出电压切换,从而在输出晶体管上实现极低的压降。与此相对,AB 类输出 FET 将大多数时间花在

电源轨的活动区域,从而导致大量的功耗并进而使效率低下。

        方程式5给出了计算效率的方程式,即输出功率与供应功率之比。过滤电感器或扬声器电感(对于无过滤器调制而言)能保持高频率切换电流较低,这样此处获得的电流就是音频带中的电流。在下面部分讨论静电损耗时,我们将考虑到切换电流损耗。通过rDS(on) 的电流等于通过负载的电流,这导致输出功率与方程式5不相符,也就使传导损耗影响的效率与输出功率无关。方程式7显示了传导损耗影响的效率。

       Efficiency = POUT / PSUP (5)

       Efficiency (CONDUCTION) = iL^2 * RL / iL^2 * (2rDS(on) + RL) (6)

       Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) (7)

       方程式7可用作计算rDS(on) 对效率影响的第一位近似值。对rDS(on) 为0.1 ohm而负载电阻RL为4 ohm而言,效率为95%。如果rDS(on)上升为0.3 ohm,则效率降至87%。

       放大器的偏置电流、闸电荷 (gate charge) 以及切换电流都会消耗功率。为了计算两种或更多损耗影响下的效率,方程式5中的PSUP应就输出功率与消耗功率进行分解。

       Efficiency = POUT / PSUP = POUT / (POUT + PD1 + PD2 + PD3 ...) (9)

       放大器的偏流、闸电荷以及切换电流损耗可视作独立于输出功率,因为传导损耗在输出功率最大时占主导地位,可算入静电损耗 PQ。静电损耗计算方法如下:器件工作状态下无输入信号时(带有生产中将使用的过滤器与负载)的电源电流乘以电源电压。

       PQ = IDD(q) * VCC (10)

       为了使用效率方程式 (9),传导损耗中的功耗必须从方程式7中得出。解方程式7与9得出传导损耗中消耗的功率 PD(CONDUCTION)。方程式12显示了结果。

       Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) = POUT / (POUT + PD(CONDUCTION)) (11)

       PD (CONDUCTION) = POUT * 2rDS(on) / RL (12)

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