單端輸出D類音頻功放的“電源泵”問題

單端輸出的D類功放存在一個比較特別的現象，電源電壓會隨著負載功率的升高而增大。這種現象被稱為“電源泵”，它會令一些不熟悉電路的工程師感到困惑。如果不對“電源泵”加以控制，較高的電源電壓會因為超過了功放及電源電容的額定最大值而導致器件永久性損壞。本文討論了產生這一現象的原因以及解決方法。

理解“電源泵”產生原理

“電源泵”現象通常出現在以低頻信號驅動低阻(如揚聲器)負載的放大器電源上。因為這些電源(線性穩壓源)的輸出通過二極管整流，它們無法在正電源輸出端吸收電流或在負電源輸出端供出電流。

圖1所示線性電源為差分輸入的立體聲D類放大器(例如MAX9742或其它供應商的類似器件)供電。當揚聲器輸出擺幅在正弦信號負半周達到“地電位”以下時，電流通路的流向如圖中箭頭所示，流入電源輸出端。

圖1. 在正弦輸出的負半周，電流按照箭頭方向流入D類放大器的輸出端

由于器件是D類放大器，在節點A輸出信號將在VDD與VSS之間擺動：當MOSFET M1導通時，輸出被拉至VDD；當MOSFET M2導通時，輸出被拉至VSS。圖中箭頭表示的電流流向分別對應于M1導通或M2導通的情況。M2導通時，電流會通過M2、D2返回到電源端。M1導通瞬間，電流將通過M1，在D1產生反偏，并對C1充電。從而使VDD幅度升高。

圖2所示波形為圖1電路的供電電源、單端立體聲驅動下的揚聲器波形。VDD和VSS為±15V，電源電容為1000μF，輸出負載為4Ω電阻，輸出信號頻率為20Hz。

圖2. 這些波形由圖1電路測試得到，從這些波形可以看出電源泵效應，t1到t2對應于輸出波形的負半周(底部)，導致VDD增大(頂部)和VSS降低(中間)

t1到t2之間對應于輸出正弦信號的負半周期，電流流向如圖1所示。從波形可以看出：正電壓VDD (左聲道)在t1、t2之間有所提升。當正弦輸出信號在t2時刻達到正壓時，VDD提升的電壓將從C1釋放。同時，VSS (右聲道)會在正電源放電時對C2充電，使其向負向增長。當揚聲器電壓為負值時，VSS放電，如此重復循環。

當器件工作在低頻時，這種“電源泵”效應會更加嚴重，因為低頻信號具有更長的充電時間，使更多電荷充入輸出電容，而反相周期來不及釋放這些額外電壓。電源電壓的升高會超出C1、C2 (或二者)以及D類功放內部的M1、M2(或二者)的最大額定電壓，從而導致器件永久性損壞。

“電源泵”問題的解決方案

可以通過三種途徑解決“電源泵”問題：

1. 圖1所示IC 有兩個單端輸出，可以將其橋接在一起，提供一路差分通道，如圖3所示。這種橋接輸出信號為異相工作，因此任何一個通道產生電源泵效應時，可以在另一通道抵消掉。

圖3. 按照圖中配置，可以利用IC的輸入運算放大器配置負載橋接輸出

2. 立體聲音頻信號中的低頻分量多數屬于單聲道信號(即左、右聲道信號相同)，可以使左聲道信號與右聲道信號反向(或反之)，如圖4所示，左聲道音頻信號在輸入級反相，輸出級左、右聲道信號反相。任何一個聲道引起的電源泵效應可以通過另外一個聲道消除，隨后，必須通過更改一個聲道(這里為右聲道)的揚聲器連接保證同相輸出。

圖4. 為了消除電源泵效應并保持IC的兩個聲道，將左聲道輸入運放配置成反相器翻轉信號，然后再更換右聲道揚聲器的連接，以保證揚聲器輸出同相信號。

3. 使用較大的電源電容( > 1000μF)也可以幫助減低“電源泵”幅度。較大的電容可以在電源電壓“泵”較高值以前吸收更大電流，并在充電時允許更長時間的反相信號釋放電源泵電壓。

數學模型

以下公式對電源泵效應提供了較好的逼近，為簡化分析，我們假設：

VDD = VSS，M1和M2的RDS(ON) = 0，可得：

?VDD = 1/C x A/RLOAD x [1/(2 x π) - A/8VDD] x Tsine (公式1)

其中C為VDD的旁路濾波電容(C1)，A為輸出正弦信號的幅度，RLOAD為揚聲器電阻，VDD是正向電源電壓的歸一化值，Tsine為輸出正弦信號周期。

公式1描述了一條拋物線，峰值發生在振幅A = (2/π) x VDD時。將該式代入式1可以得到最大電源泵電壓：

?VDD(max) = [VDD/(2 x π x π)] x [Tsine/(RLOAD x C)] (公式2)

對于采用±15V供電、8Ω揚聲器、輸出20Hz正弦信號并使用220μF電源電容的系統，VDD可以上升到21.6V，當然，增大濾波電容可以減小?VDD(max)。例如，通過安裝1000μF電容，可以使最大電源泵電壓降至4.7V。

方案探討

方案1通過增加反相電路消除電源泵效應，只需增加一個運放，成本較低。另外，如果使用類似MAX9742的立體聲放大器，則不需要額外運放，因為其輸入級運放可以根據需要進行配置(參考圖3至圖4)。但是，這種方法并非總是有效，因為它把兩個放大器合并成了一個。如果需要立體聲輸出，則需增加額外的MAX9742。

方案2把一個聲道的信號翻轉，用于抵消另一聲道的“泵”電壓，從而消除電源泵效應，這種方案最有效。電路(圖4)在右聲道輸入包含一個運放，需占用額外的PCB面積，除非使用MAX9742 D類放大器，其輸入級可以根據需要進行配置，用于消除電源泵效應。大多數方案都需要對PCB進行修改，除非事先設計功率放大器時考慮了消除電源泵效應的問題。

方案3最常見但成本最高。功放設計人員通常總是在趕生產期限，而且既然大部分功放已經包含了100?F至330?F的大尺寸電源電容，這種方法便成為最簡便的途徑，只要把電容增大到1000?F左右即可。

增加一個運放和相關無源元件需要大約0.10$至0.15$成本，但一個330?F電容的價格大約需要0.10$。每路電源(VDD和VSS)安裝兩個330?F電容，材料成本將增加到大約0.40$。也可以去掉330?F電容，換成兩個1000?F電容。成本增加0.25$至0.30$。因此，增加電容會造成更高成本，但從設計人員的角度看，消除了重新設計的風險。因為增大電容比修改PCB增加一個運放更容易。

雖然電源泵問題及其解決方法很容易理解，IC廠商并沒有把所有需要的電路集成在芯片內部。設計人員采用了一些創新方案，例如MAX9742，其內部運放的差分輸入可以根據需要進行配置(方案2)。如果IC配置不當，其電源電壓有可能被抬高到額定電壓以上(每片IC都有其額定指標，如果超出額定值可能造成器件永久性損壞)。方案3需要增大電源電容，而大電容可能永遠無法集成到IC內，因為利用硅材料集成電容價格非常昂貴，而且只能得到容值較小的皮法級而不是微法級電容。

電源泵通常發生在單端輸出、D類放大器以低頻信號驅動低阻負載的條件下，這個問題雖然棘手，但是如果理解了造成該現象的原因，可以利用本文介紹的某種方法(使用放大器和外圍元件)將電源泵電壓降至比較安全的水平。