高性能4通道D類音頻放大器設(shè)計

與低側(cè)電流傳感不同，CSH管腳的臨界值內(nèi)部固定在1.2V。但可利用外部電阻分壓器R2和R3來設(shè)定一個較高的臨界值。不論采用哪種方式，都要用外部阻流二極管D1去阻斷高電壓在高側(cè)斷路的情況下流向CSH管腳。基于跨越D1的0.6V正向電壓降，高側(cè)過流保護(hù)的最低臨界值是0.6V。

簡而言之，CSH管腳的臨界值VCSH可以用以下算式計算：

式中的ID是漏電流，而VF(D1)則是D1的正向壓降。此外，逆向阻流二極管D1經(jīng)由一個10kΩ電阻R1進(jìn)行正向偏置。

為防止直通或過沖電流通過兩個MOSFET，我們將一個名為死區(qū)時間的阻流時段插在高側(cè)關(guān)斷和低側(cè)開通，或低側(cè)關(guān)斷和高側(cè)開通之間。集成式驅(qū)動器讓設(shè)計師可以根據(jù)所選MOSFET的尺寸從一系列預(yù)設(shè)值中選擇適合的死區(qū)間來優(yōu)化性能。事實上，只需兩個外部電阻來通過IRS2093的DT管腳設(shè)定死區(qū)時間。這樣便不需要采用外部的柵極定時調(diào)節(jié)，同時也能防止調(diào)節(jié)開關(guān)定時引入的外來噪聲，這對確保音效性能非常重要。

用戶在決定最佳死區(qū)時間時，必須考慮MOSFET的下降時間。這是因為對實際應(yīng)用來說，由于開關(guān)的下降時間tf的關(guān)系，真正有效的死區(qū)時間與數(shù)據(jù)資料所提供的會有所不同。這意味著，要確定有效的死區(qū)時間，就要以數(shù)據(jù)資料中的死區(qū)時間值減去MOSFET柵極電壓的下降時間。

同樣地，在UVLO保護(hù)方面，驅(qū)動器會在正常運(yùn)作開始之前監(jiān)測電壓VAA和VCC的狀態(tài)，以確保兩個電壓都高于它們各自的臨界值。如果VAA或者VCC低于UVLO臨界值，IRS2093的保護(hù)邏輯便會關(guān)閉LO和HO。結(jié)果，功率MOSFET將停止運(yùn)作直至VAA和VCC超過它們的UVLO臨界值。

此外，為了達(dá)到最理想的音效，4通道音頻電路板設(shè)計把模擬和開關(guān)部分之間的線路阻抗和相互耦合降到最低，并確保模擬信號與開關(guān)級和電源接地分開。

測量的性能

我們在正弦信號頻率為1kHz、1Vrms及4Ω負(fù)載阻抗的情況下，測量每個通道的效率、總諧波失真加噪聲(THD+N)和EMI性能。另外，我們?yōu)橛蓤D2展示的4通道D類音效放大器設(shè)計進(jìn)行測量，顯示其一流的隔離和串音性能。相關(guān)電路版的電源電壓有±35V，自振頻率則為400kHz。

如圖3所示，在4Ω負(fù)載、功率輸出為低于50W至120W的情況下，每通道的效率約為90%。對高通道效率作出貢獻(xiàn)的主要因素包括產(chǎn)生低通態(tài)和開關(guān)耗損的DirectFET MOSFET IRF6665。同時，因為集成式驅(qū)動器提供了安全死區(qū)時間，所以設(shè)計沒有出現(xiàn)交叉導(dǎo)通。

圖3：在4Ω負(fù)載下，功率輸出從低于50W輸出提高到120W，測量的效率曲線顯示每條通道的效率約為90%。

如此高的功效使這款4通道設(shè)計能夠處理八分之一的持續(xù)額定功率，也就是一般安全所需的正常工作環(huán)境，而無需使用任何額外的散熱片或強(qiáng)制空氣冷卻。

同樣地，針對失真進(jìn)行的測試顯示，在廣泛的輸出功率范圍內(nèi)，每條通道的THD+N性能都是一樣的。如圖4所示，當(dāng)每條通道低于50W時THD+N便會小于0.01%，并會隨著輸出功率上升而增加。例如，當(dāng)每條通道的輸出為100W左右，失真程度便會上升到0.02%。這種性能在整個20Hz到20kHz的音頻范圍內(nèi)都會保持一致，即使輸出功率由每通道10W增加到50W(4Ω負(fù)載下)也不會改變。如圖5所示，每個通道的基噪在整個音頻范圍內(nèi)都維持在-80dBv以下。噪聲是在無信號輸入和400kHz的自振頻率下測量。

圖4：當(dāng)每個通道低于50W時，總諧波失真加噪聲(THD+N)便會少于0.01%，并會隨著輸出功率上升而開始增加。

為通道隔離進(jìn)行的類似測試表明，在每條通道的輸出功率為60W的情況下，通道1和3，以及通道1和4之間的串音在整個音頻范圍內(nèi)都優(yōu)于-70dB。

同時，該設(shè)計在1kHz信號頻率下提供-68dB的良好電源抑制比(PSRR)。高PSRR源自驅(qū)動器的自振頻率。從而使得4通道D類放大器即使使用非穩(wěn)壓電源，也能夠提供卓越的性能。

圖5：當(dāng)無信號輸入時，每條通道的基噪在整個音頻范圍內(nèi)都保持低于-80dBv。

本文小結(jié)

采用IRS2093M集成式驅(qū)動器的4通道D類音頻放大器解決方案，其效率、THD+N和EMI性能都可與單通道設(shè)計匹敵。此外，在整個可聽范圍內(nèi)，基噪維持在-80dBv以下。同時，通道之間擁有出色的隔離來保持互調(diào)失真(IMD)處于最低水平，以提供理想的音效性能。隨著高效率免除了對散熱片的需要，集成式音頻驅(qū)動器成功以減少一半的占位面積實現(xiàn)了4通道D類音頻放大器解決方案。

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