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(xiàn)象，電源電壓會隨著負載功率的升高而增大。這種現(xiàn)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(dǎo)致器件永久性損壞。本文討論了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因以及解決方法。

理解“電源泵”產(chǎn)生原理

“電源泵”現(xiàn)象通常出現(xiàn)在以低頻信號驅(qū)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(wěn)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(yīng)商的類似器件)供電。當(dāng)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(jié)點A輸出信號將在VDD與VSS之間擺動：當(dāng)MOSFET M1導(dǎo)通時，輸出被拉至VDD；當(dāng)MOSFET M2導(dǎo)通時，輸出被拉至VSS。圖中箭頭表示的電流流向分別對應(yīng)于M1導(dǎo)通或M2導(dǎo)通的情況。M2導(dǎo)通時，電流會通過M2、D2返回到電源端。M1導(dǎo)通瞬間，電流將通過M1，在D1產(chǎn)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(qū)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(yīng)，t1到t2對應(yīng)于輸出波形的負半周(底部)，導(dǎo)致VDD增大(頂部)和VSS降低(中間)

t1到t2之間對應(yīng)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(dāng)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(dāng)揚聲器電壓為負值時，VSS放電，如此重復(fù)循環(huán)。

當(dāng)器件工作在低頻時，這種“電源泵”效應(yīng)會更加嚴(yán)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(nèi)部的M1、M2(或二者)的最大額定電壓，從而導(dǎo)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(chǎn)生電源泵效應(yīng)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(shù)學(xué)模型

以下公式對電源泵效應(yīng)提供了較好的逼近，為簡化分析，我們假設(shè)：

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(fā)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(tǒng)，VDD可以上升到21.6V，當(dāng)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(yīng)，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(jù)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(zhuǎn)，用于抵消另一聲道的“泵”電壓，從而消除電源泵效應(yīng)，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(jù)需要進行配置，用于消除電源泵效應(yīng)。大多數(shù)方案都需要對PCB進行修改，除非事先設(shè)計功率放大器時考慮了消除電源泵效應(yīng)的問題。

方案3最常見但成本最高。功放設(shè)計人員通?？偸窃谮s生產(chǎn)期限，而且既然大部分功放已經(jīng)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(guān)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(shè)計人員的角度看，消除了重新設(shè)計的風(fēng)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(nèi)部。設(shè)計人員采用了一些創(chuàng)新方案，例如MAX9742，其內(nèi)部運放的差分輸入可以根據(jù)需要進行配置(方案2)。如果IC配置不當(dāng)，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(biāo)，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(nèi)，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(fā)生在單端輸出、D類放大器以低頻信號驅(qū)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(xiàn)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。