預(yù)補(bǔ)償方法以減少Class D功率放大器的爆裂噪聲

—— 林俊明（英飛凌科技股份有限公司消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)首席工程師）

作者：林俊明時(shí)間：2024-09-24 來源：英飛凌

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1 摘要

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202409/463165.htm

如今，Class D功率放大器在音頻系統(tǒng)中被廣泛使用。然而，在放大器啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，以及在靜音 / 取消靜音切換期間，揚(yáng)聲器中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)爆裂聲或點(diǎn)擊聲。這些噪音可能會(huì)被聽到，并使用戶感到不適。在音頻系統(tǒng)中靜音功率放大器是避免在啟動(dòng)或關(guān)閉期間出現(xiàn)爆裂聲的有效方法。此外，音頻系統(tǒng)有時(shí)播放音樂，有時(shí)停止播放，這需要頻繁地靜音或取消靜音放大器。因此，爆裂聲是頻繁靜音和取消靜音控制的關(guān)鍵問題。本文討論了靜音 / 取消靜音過渡期間爆裂聲的發(fā)生原因，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的方法來抑制這些噪音。

2 簡介

高效率和小尺寸的特點(diǎn)使 Class D 功率放大器非常適合用于高功率音頻系統(tǒng)。圖 1 是使用 Class D 功率放大器的典型音頻系統(tǒng)。音頻處理器將音頻信號傳送到功率放大器，同時(shí)它還可以控制功率放大器的啟動(dòng)和關(guān)閉。

圖1 Class D功率放大器系統(tǒng)

Class D 功率放大器輸出與輸入音頻信號相對應(yīng)的脈沖，A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)的脈沖由半橋開關(guān)產(chǎn)生。低通濾波器由電感和電容組成，為從這些高頻脈沖中解調(diào)出的音頻信號提供路徑，解調(diào)后的音頻信號通過揚(yáng)聲器，將電能轉(zhuǎn)換為聲能，然后被人的耳朵聽到。如果用戶在開始播放音樂或計(jì)劃停止音樂時(shí)總是聽到爆裂聲或點(diǎn)擊聲，這將是非常糟糕的體驗(yàn)。

圖2 Class D功率放大器原理圖

圖 2 是典型的 Class D 功率放大器原理圖。OP1 、 CAMP1 、驅(qū)動(dòng)器和功率級 A 構(gòu)成單端功率放大器 A ，同樣， OP2 、CAMP2 、驅(qū)動(dòng)器和功率級 B 構(gòu)成另一個(gè) 單端功率放大器 B ，揚(yáng)聲器連接在功率放大器單端 A 和單端 B 之間。OP1 和 OP2 根據(jù)輸入和反饋生成相應(yīng)的誤差信號，誤差信號與比較器中的鋸齒波進(jìn)行比較，并觸發(fā)輸出響應(yīng)寬度脈沖，鋸齒波以固定的載波頻率運(yùn) 行，在每個(gè)載波周期內(nèi)，脈沖的占空比與誤差信號的幅度成正比，以上過程稱為小信號調(diào)制。調(diào)制脈沖是進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器設(shè)備的源邏輯信號，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)輸入邏輯脈沖打開 / 關(guān)閉輸出功率級，以完成功率放大器的功率調(diào)制。低通濾波器從功率脈沖中解調(diào)音頻信號，音頻信號施加在 SPKP 和 SPKN 上。功率放大器可以通過靜音禁用調(diào) 制器和輸出開關(guān)級，這意味著在靜音階段不會(huì)有任何瞬態(tài)階躍信號施加在揚(yáng)聲器上，當(dāng)然也不會(huì)有爆裂噪聲。在音頻系統(tǒng)開機(jī)或關(guān)機(jī)期間，所有電源軌都是不穩(wěn)定的，讓功率放大器在音頻系統(tǒng)開機(jī)或關(guān)機(jī)前保持靜音是避免更大爆裂噪聲的必要措施。在電源軌供電穩(wěn)定后，音頻系統(tǒng)將讓功率放大器從靜音變?yōu)槿∠o音并準(zhǔn)備播放音樂，不幸的是，如果功率放大器沒有設(shè)計(jì)抑制方法，用戶在那時(shí)仍會(huì)聽到爆裂聲或點(diǎn)擊聲。

3 預(yù)補(bǔ)償方法

本章分析靜音爆裂噪聲的根本原因，然后演示如何使用預(yù)補(bǔ)償方法來解決這個(gè)問題。

圖3 理想條件下波形圖

在音頻系統(tǒng)開機(jī)并完成初始設(shè)置后，功率放大器的調(diào)制器和功率級應(yīng)啟用工作，我們稱這個(gè)過程為取消靜音。圖 3 是顯示取消靜音過程的波形圖，假設(shè)所有條件都是理想的。根據(jù)波形圖，我們可以得出以下方程：

因此，揚(yáng)聲器端子 SPKP 和 SPKN 之間的電壓水平相同，沒有電壓偏差導(dǎo)致電流流入揚(yáng)聲器的線圈，當(dāng)然也不會(huì)有點(diǎn)擊或爆裂噪聲。現(xiàn)在我們來看實(shí)際的模擬電路：元件的公差、參考點(diǎn)的位置不同、驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間方案差異、PCB 走線因素等。所有這些差異導(dǎo)致 A 點(diǎn)的 PWM 與 B 點(diǎn)的 PWM 不匹配，即使在相同的初始條件下啟動(dòng)也是如此。圖 4 是功率放大器從靜音到取消靜音時(shí)的實(shí)際波形。調(diào)制器開始工作并將占空比從小調(diào)節(jié)到 50%，這是功率放大器在啟動(dòng)階段的循環(huán)階段，PWM 的目標(biāo)是在功率放大器環(huán)路穩(wěn)定后保持輸出平均水平等于 1/2VCC。

圖4 實(shí)際波形

SPKP 和 SPKN 是低通濾波器后的電壓水平。由于 A 點(diǎn)的輸出脈沖與 B 點(diǎn)的輸出脈沖不匹配，SPKP 將不等于 SPKN，這會(huì)在揚(yáng)聲器端子之間產(chǎn)生容差電壓，并驅(qū)動(dòng)電流流入線圈，從而產(chǎn)生點(diǎn)擊聲或爆裂聲。偏置電壓幅度在環(huán)路穩(wěn)定后將保持一定值，我們稱這個(gè)偏移值為功率放大器的直流偏置電壓，‘SPKN-SPKP’的波形顯示了詳細(xì)結(jié)果。直流偏置電壓會(huì)在揚(yáng)聲器上造成功率損耗，當(dāng)功率放大器靜音時(shí)也會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)擊聲或爆裂聲，因?yàn)閾P(yáng)聲器端子之間的偏置電壓在從取消靜音到靜音時(shí) 會(huì)從直流偏置電壓變?yōu)?0 ，這種過渡會(huì)使電流流入揚(yáng)聲器線圈，較大的直流偏置電壓在靜音時(shí)會(huì)導(dǎo)致更大的爆裂噪聲。圖 5 總結(jié)了揚(yáng)聲器在不同播放控制階段的偏置電壓。Vb 是稱為直流偏置電壓的偏移電壓。

圖5 應(yīng)用于揚(yáng)聲器的偏置電壓

預(yù)補(bǔ)償旨在減少輸出脈沖的不匹配并降低施加在揚(yáng) 聲器上的偏置電壓水平，最終減少從靜音到取消靜音或從取消靜音到靜音時(shí)的爆裂噪聲。從圖 4 中我們知道，功率放大器在 5-6 個(gè)周期調(diào)節(jié)后最終輸出 50% 占空比的脈沖，此外，功率放大器的開關(guān)頻率超過 300 kHz，而人類的聽覺范圍是 20 Hz-20 kHz，因此由 50% 占空比脈沖產(chǎn)生的直流偏置電壓 Vb 是導(dǎo)致爆裂噪聲的主要能量源，SPKN-SPKP 從 0 到Vb 的躍變是點(diǎn)擊聲的根本原因。減少Vb 將抑制爆裂噪聲。Vb 是在穩(wěn)定調(diào)制階段的固定值，它是單端A 和單端B 之間的不平衡，因此Vb 是調(diào)制器的校正參數(shù)。

圖6 預(yù)補(bǔ)償原理圖和波形圖

圖6預(yù)補(bǔ)償原理圖中，微調(diào)電阻Rc1和 Rc2 用于預(yù) 補(bǔ)償，微調(diào)電阻調(diào)整比較器上的直流電平并減少單端 A 和單端B 之間的調(diào)制不匹配。以下方程解釋了預(yù)補(bǔ)償?shù)?nbsp;工作原理。

1)Vcl=Vc2,SPKN-SPKP=Vb

方程1顯示了沒有預(yù)補(bǔ)償?shù)墓β史糯笃鳌Ｕ{(diào)整Rcl 和Rc2的值使以下方程成立。

2)Vcl-Vc2=Vb

然后

3)SPKP=SPKN

在預(yù)補(bǔ)償之前，Vb 可能為正或負(fù)。例如，SPKN> SPKP, 那么需要調(diào)整Vcl>Vc2 直到減去Vb 的值。

4 實(shí) 驗(yàn)

圖7 爆裂噪聲測試平臺(tái)

Figure 7 該平臺(tái)用于爆裂噪聲評估，V-Meter 可以測量直流偏置電壓，Sound meter 可以測量來自揚(yáng)聲器的爆裂噪聲的聲壓。靜音按鈕用于將功率放大器從靜音切換到取消靜音或從取消靜音切換到靜音，Sound meter 的麥克風(fēng)傳感器與揚(yáng)聲器在同一條線上，Sound meter 將測量揚(yáng)聲器的聲壓級。該平臺(tái)設(shè)置在靜音室中，然后分別進(jìn)行有預(yù)補(bǔ)償和無預(yù)補(bǔ)償?shù)臏y試，數(shù)據(jù)列在以下表格中。