前言

　　當今利用反饋網絡與頻率擴展技術改善開關的EMI己在便攜設備中的開關穩壓器與現代D類放大器中獲得了應用。這是什么原因？

　　現代D類放大器的高效特性，在日新月異的多媒體時代新潮中己成為便攜式和大功率應用的理想選擇。之所以這樣是因許多現代D類放大器采用先進的擴譜調制技術，可使各種應用免去外部濾波器并降低電磁于擾（EMl）。而省掉外部濾波器器不僅降低了電路板空間要求，同時大幅降低了很多便攜式/緊湊型應用的成本。

　　由于開關穩壓器能極大地節省空間并具有極低的功耗，則此穩壓器正逐步取代線性穩壓器，而進入各種新型應用中。但開關穩壓器有一個缺點，其內部開關電流可能產生EMI。EMI的峰值能量集中在開關頻率上，降低EMI的傳統方法是謹慎處理接地、屏蔽和濾波。以上方法以控制和抑制穩壓器內部開關電流所產生的輻射為主。此外，降低開關電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。但確切地說，多相同步和擴展頻譜頻率調制（SSEM）及反饋網絡技術是降低EMI的兩種強有力的工具。此外，降低開關電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。

　　值此本文僅對其反饋技術、擴譜調制技術及新一代無濾波器D類放大器分析說明。因為對D類放大器及其最新的技術發展有一個基本理解，將有助于設計者為具體應用選擇合適的放大器，并正確權衡某些功能特性的優勢和劣勢。為此首先應了介基于PWM方式的傳統D類放大器存在的問題。

　　1、傳統D類放大器存在的問題

　　傳統D類放大器的一個主要缺點就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因濾波元件的非線性而引入額外失真。很多D類放大器還會使用全橋輸出級。全橋電路使用兩個半橋輸出級，并以差分方式驅動負載。這種負載連接方式通常稱為橋接負載（BTL）。全橋結構是通過轉換負載的導通路徑來工作的。因此負載電流可以雙向流動，無需負電源或隔直電容。傳統的、基于PWM的BTL型D類放大器各輸出波形。各輸出波形彼此互補，從而在負載兩端產生一個差分PWM信號。與半橋式拓撲類似，輸出端需要一個外部LC濾波器，用于提取低頻音頻信號并防止在負載上耗散高頻能量。

　　與所有傳統D類放大器一樣，基于PWM方式的典型D類放大器需要外部濾波元件，會產生EMI／EMC兼容性問題，并且THD+N性能較差，因此與線性放大器相比，它的高效優勢大為失色。然而，現代D類放大器采用先進的調制和反饋技術，可很好地緩解上述問題。

　　2、利用反饋網絡改善性能

　　許多D類放大器采用PWM輸出至器件輸入的負反饋環路。閉環方案不僅可以改善器件的線性，而且使器件具備電源抑制能力。開環放大器卻正相反，它的電源抑制能力微乎其微。在閉環拓撲中，因為會檢測輸出波形并將其反饋至放大器的輸入端，所以能夠在輸出端檢測到電源的偏離情況，并通過控制環路對輸出進行校正。閉環設計的優勢是以可能出現的穩定性問題為代價的，這也是所有反饋系統共同面臨的問題。因此必須精心設計控制環路并進行補償，確保在任何工作條件下都能保持穩定。

　　典型的D類放大器采用具有噪聲整形功能的反饋環路，可極大地降低由脈寬調制器、輸出級以及電源電壓偏離的非線性所引入的帶內噪聲。這種拓撲與用在∑-△調制器中的噪聲整形類似。為闡明噪聲整形功能，圖1給出了為現代D類放大反饋補償回路以傳遞函數形式表達的示意圖，即一個1階噪聲整形器的簡化框圖。反饋網絡通常包含一個電阻分壓網絡，但為簡便起見，圖1的反饋比例為1。由于理想積分器的增益與頻率成反比，圖中積分器的傳遞函數也被簡化為1／s。同時假定PWM模塊具有單位增益，并且在控制環路中具有零相位偏移。使用基本的控制模塊分析方法，可得到以下輸出表達式：

　　由等式1可知，噪聲項En（s）與一個高通濾波器函數（噪聲傳遞函數）相乘，而輸入項VIN（s）與一個低通濾波器函數（信號傳遞函數）相乘。噪聲傳遞函數的高通濾波器對D類放大器的噪聲進行整形。如果輸出濾波器的截止頻率選取得當，大部分噪聲會被推至帶外（見圖1右上角坐標糸統）。上述例子使用的是1階噪聲整形器，而多數現代D類放大器采用高階噪聲整形拓撲，以便進一步優化線性度和電源抑制特性。

　　3、新型無濾波器D類放大器的導出

　　傳統D類放大器的一個主要缺點就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因濾波元件的非線性而引入額外失真。幸好，很多現代D類放大器采用了先進的“免濾波器”調制方案，從而省掉或至少是最大限度降低了外部濾波器要求。圖2給出免濾波器調制器拓撲的簡化功能框圖。與傳統的PWM型BTL放大器不同，每個半橋都有自己專用的比較器，從而可獨立控制每個輸出。調制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅動。當兩個比較器輸出均為低電平時，D類放大器的每個輸出均為高。與此同時，或非門的輸出變為高電平，但會因為RON和CON組成的RC電路而產生一定延時。一旦或非門延時輸出超過特定門限，開關SWl和SW2隨即閉合。這將使OUT+和OUT-變為低，并保持到下個采樣周期的開始。這種設計使得兩個輸出同時開通一段最短時間t0N（MIN），這個時間由RON和CON的值決定。如圖3所示，輸人為零時，兩個輸出同相并具有t0N（MIN）的脈沖寬度。隨著音頻輸入信號的增加或減小，其中一個比較器會在另一個之前先翻轉。這種工作特性外加最短時間導通電路的作用，將促使一個輸出改變其脈沖寬度，另一個輸出的脈沖寬度保持為t0N（MIN）（圖3）。這意味著每個輸出的平均值都包含輸出音頻信號的半波整流結果。對兩路輸出的平均值進行差值運算，便可得到完整的輸出音頻波形。

　　由于MAX9700的輸出端在空閑時為同相信號，所以負載兩端沒有差分電壓，從而最大限度降低了靜態功耗，并且無需外部濾波器。免濾波器D類放大器從輸出中提取音頻信號時并不依靠外部LC濾波器，而是依靠揚聲器負載固有的電感以及人耳的聽覺特性來恢復音頻信號。揚聲器電阻（RE）和電感（LE）形成一個1階低通濾波器，其截止頻率為：

　　對大多數揚聲器而言，這個l階滾降足以恢復音頻信號，并可防止在揚聲器電阻上耗散過多高頻開關能量。即使依然存在殘余開關能量使揚聲器組件產生運動，這些頻率也無法入耳被聽到或影響聽覺感受。使用免濾波器D類放大器時，為獲得最大輸出功率，揚聲器負載應保證在放大器開關頻率下仍為感性負載。

　　4、利用D類放大器延長電池使用壽命

　　高效D類音頻功率放大器使電池使用壽命延長為傳統線性放大器的兩倍，從而使音樂播放時間更長。DC音量控制等特性不僅降低了系統成本，實現了板級空間的最小化，同時其低噪聲底限能擴大動態范圍，并優化音頻質量。D類音頻放大器可為你的便攜式揚聲器系統提供靈活的低成本設計解決方案，見圖4示意圖。圖4中D類放大器可采用TPA2008D2型2×3W D類放大器。該解決方案應用范圍為：音頻基座，迷你揚聲器，輕便型收錄機。其特性為：8Ω揚聲器提供的88％的 D類放大效率；集成DC音量控制范田為-38dB至20dB，而步長為2dB；低噪聲底跟；42μVrms；電源墳波抑制比（PSRR）70dB；TPA2008D2型為24引腳HTSSOP封裝。

　　5、降低EMI有效技術—擴譜調制的應用

　　免濾波器工作方式的一個缺點就是可能通過揚聲器電纜輻射EMI。由于D類放大器的輸出波形為高頻方波，并具有陡峭的過渡邊沿，因此輸出頻譜會在開關頻率及開關頻率倍頻處包含大量頻譜能量。在緊靠器件的位置沒有安裝外部輸出濾波器的話，這些高頻能量就會通過揚聲器電纜輻射出去。免濾波器D類放大器采用”擴譜調制方案，可幫助緩解可能的EMI問題。

　　擴展頻譜模式下，采樣時鐘頻率在規定的范圍內逐周期變化，使輸出頻譜的分布比較平坦，從而改善了經過喇叭或音頻線纜的EMI輻射（見圖5所示）。采樣頻率的變化不會破壞音頻信號的恢復，也不會降低整體效率。

　　一些D類放大器也可允許接受外部的系統頻率同步，來降低或避開敏感的頻帶。另外，現代D類放大器具有主動幅射限制電路（AEL），AEL電路會在輸出瞬變時主動控制輸出FET的柵極，避免傳統D類放大器中因感性負載的續流所引起的高頻幅射，進而降低EMI。

　　例如MAX9705、MX9773兩款現代D類放大器除了具有普通的固定頻率模式（FFM）、擴展頻譜模式（SSM）、外部同步模式及SSM+AEL模式，用戶可利用其SYNC引腳設定取樣頻率。現代D類放大器，加上仿真程序的計算，可計算出各個模式下的EMI特性。擴展頻譜模式+主動幅射限制模式下，提供最佳的EMI抑制。

　　通過抖動或隨機化D類放大器的開關頻率實現擴譜調制。實際開關頻率相對于標稱開關頻率的變化范圍可達到土10％。盡管開關波形的各個周期會隨機變化，但占空比不受影響，因此輸出波形可以保留音頻信息。圖6顯示以MAX9700為例的擴譜調制的效果，是在OUT+或OUT-與地之間寬帶（為10KHz）的輸出頻譜測量效果，即擴譜調制將MAX9700的頻譜能量分布在更寬的頻帶內。擴譜調制有效展寬了輸出信號的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開關頻率及其各次諧波上。換句話說，輸出頻譜的總能量沒有變，只是重新分布在更寬的頻帶內。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，因而將揚聲器電纜輻射EMI的機會降至最少。雖然一些頻譜噪聲可能由擴譜調制引入音頻帶寬內，這些噪聲可以被反饋環路的噪聲整形功能抑制掉。

　　很多現代免濾波器D類放大器還允許開關頻率同步至一個外部時鐘信號。因此用戶可以將放大器開關頻率設置到相對不敏感的頻率范圍內。

　　盡管擴譜調制極大地改善了免濾波器D類放大器的EMI性能，為了滿足FCC或CE輻射標準，實際上還是需要對揚聲器電纜長度加以限制。如果設備因揚聲器電纜過長而沒能通過輻射測試，則需要一個外部輸出濾波器來衰減輸出波形的高頻分量。對于許多具有適度揚聲器電纜長度的應用來說，在輸出端安裝磁珠／濾波電容即可滿足要求，見圖7（a）所示。而圖7（b）為省掉價格昂貴的電感而用磁珠／濾波電容使EMI受限的特性曲線。

　　6、結語

　　當前，有多種D類放大器可供選用，以滿足各類應用需求。這當中包括低功耗便攜式設備（如蜂窩電話和筆記本電腦）以及大功率設備（如車載音響系統或平板顯示器），對于前者來說，電池壽命、電路板空間和EMI兼容性往往至關重要；而后者則要求最大限度降低散熱需求和發熱量。


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