170W、D類音頻功率放大器LM4651/LM4652

摘要：LM4651/LM4652是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的新型集成電路芯片，利用LM4651驅(qū)動(dòng)器與LM4652功率MOSFET兩片IC可直接組成高效D類超低音功率放大器。文中介紹了LM4651/LM4652的特點(diǎn)、功能的原理，并重點(diǎn)介紹了由LM4651/LM4652組成的典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：超低音 D類功率放大器 LM4651/LM4652

利用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NSC）推出的LM4651/LM4652 Overture TM最新IC和很少的外部元件，即可組成170W高效D類音頻功率放大器。LM4651的PWM驅(qū)動(dòng)器與LM4652半橋（H-bridge）功率MOSFET IC所構(gòu)成的這種簡(jiǎn)單緊湊的D類超低音（Subwoofer）放大器完全解決了通常僅在AB類放大器中才能看到的保護(hù)問題，但效率比AB類放大器有較大提高，而散熱器尺寸則比功率電平相同的AB類放大器有所減小，LM4651與LM4652被應(yīng)用在家庭影院和PC自動(dòng)（Powered）超低音放大器、汽車音響增強(qiáng)（booster）放大器和自供是（self-powered）揚(yáng)聲器等方面，會(huì)取得令人滿意的效果。

1 引腳功能

LM4651采用28腳塑料封裝，圖1（a）為L(zhǎng)M4651封裝頂視圖。LM4652采用15腳TO-220塑料封裝，分為隔離和非隔離兩種形式。其中，采用隔離型的LM4652TF引腳排列如圖1（b）所示。

LM4651是一種PWM控制/驅(qū)動(dòng)器IC，內(nèi)置振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、反饋測(cè)量放大器、數(shù)字邏輯與保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)器等，表1列出了LM4651的引腳功能。LM4652的引腳功能說(shuō)明如表2所列。

表1 LM4651的引腳功能

表2 LM4652的引腳功能

2 主要參數(shù)及特點(diǎn)

2.1 主要參數(shù)

a.極限參數(shù)

LM4651/LM4652的最高電源電壓為±22V，其功耗分別為1.5W和32W，最高結(jié)溫為150℃，工作溫度范圍為-40～+85℃。LM4652的最大輸出電流為10A。

b.電氣特性

LM4651的總靜態(tài)電流（在LM4652不連接時(shí)的典型值）為36mA，待機(jī)狀態(tài)時(shí)的輸入電壓（典型值）為2V，開關(guān)頻率范圍（在Rosc從15kΩ變?yōu)?Ω時(shí)）為65～200kHz，死區(qū)時(shí)間為27ns，調(diào)制保護(hù)時(shí)間（典型值）為310ns。

LM4652中MOSFET的漏-源極擊穿電壓為55V，通太電阻（典型值）的0.2Ω，最大漏極電流（ID）為10A，柵極門限電壓（典型值）為0.85V。

LM4651/LM4652的主要技術(shù)參數(shù)為：

●總揩波失真（THD）（在10W、4Ω和10～500Hz下）≤0.3%；

●輸出功率（4Ω、75kHz、10%THD時(shí)）為170W；

●最大效率（在125W和1%THD下）為85%；

●待機(jī)狀態(tài)衰減>100dB。

2.2 主要特點(diǎn)

LM4651/LM4652的主要特點(diǎn)如下：

●具有常規(guī)的脈沖寬度調(diào)制（LM46451）；

●開關(guān)頻率外部可控，范圍為75～200kHz；

●內(nèi)含集成誤差放大器和反饋放大器；

●可導(dǎo)通軟啟動(dòng)和欠電壓閉鎖；

●具有過(guò)調(diào)制保護(hù)（軟削波）功能；

●可進(jìn)行短路電流限制和熱關(guān)閉保護(hù)；

●具有自檢查保護(hù)診斷功能。

3 原理和應(yīng)用電路

圖2為L(zhǎng)M4651與LM4652的典型應(yīng)用及測(cè)試電路。該電路有助于人們了解兩芯片尤其是LM2651的功能和原理。

3.1 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述

LM4651是常規(guī)脈沖寬度調(diào)制器/驅(qū)動(dòng)器IC。圖3所示為輸入音頻信號(hào)與頻率遠(yuǎn)高于音頻信號(hào)的三角波信號(hào)的比較波形。比較器產(chǎn)生一個(gè)占空比與音頻信號(hào)電平成正比的矩形波電壓，以驅(qū)動(dòng)LM4652半橋電路中的功率MOSFET，然后將功率MOSFET的脈沖序列（frain）通過(guò)LC低通濾波器在濾除高頻后施加到揚(yáng)聲器。

3.2 待機(jī)（Standby）功能

LM4651的CMOS兼容性允許通過(guò)關(guān)閉脈沖寬度波形去關(guān)斷所有功率MOSFET。由于待機(jī)狀態(tài)關(guān)閉了脈沖寬度波形，其音東衰減大于120dB,因 而EMI被限制到最小限度，當(dāng)腳13不邏輯“1”功5V時(shí)，待機(jī)功能有效；腳13為邏輯“0”或0V時(shí)，待機(jī)無(wú)效，允許利用輸入信號(hào)調(diào)制。

3.3 啟動(dòng)程序和定時(shí)

LM4651具有內(nèi)部軟啟動(dòng)功能，該軟啟動(dòng)功能可保證系統(tǒng)的可靠和協(xié)調(diào)啟動(dòng)，從而使導(dǎo)通喇叭聲（thump）或彭彭聲（pop）減到最小。在啟動(dòng)周期內(nèi)，系統(tǒng)保持待機(jī)模式。啟動(dòng)時(shí)間的調(diào)節(jié)可通過(guò)連接到START腳的電容（CSTSRT）來(lái)控制。

3.4 電流限制和短路保護(hù)

連接在SCKT腳與GND之間電阻RSCKT用來(lái)決定最大輸出電流。一旦輸出電流高于設(shè)定限制，短路保護(hù)將關(guān)斷所有功率MOSFET

電流限制最小設(shè)備在10A，但調(diào)節(jié)RSCKT數(shù)值可以適當(dāng)使電流增大，在輸出端短路或場(chǎng)聲器失效（出現(xiàn)短路）的情況下，IC將執(zhí)行安全保護(hù)功能。

3.5 死區(qū)時(shí)間設(shè)定

LM4651上的DELAY腳可用來(lái)設(shè)定系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間。所謂死區(qū)時(shí)間是指LM4652中一對(duì)MOSFET在另一對(duì)MOSFET導(dǎo)通前被關(guān)斷的時(shí)間間隔。增加死區(qū)時(shí)間將減小貫通（Shoot through）電流，但同時(shí)也會(huì)增大THD。隨著所希望的工作帶的增加，死區(qū)時(shí)間應(yīng)當(dāng)減小。調(diào)節(jié)電阻RDLY，可改變死區(qū)時(shí)間，關(guān)系如下：

TDLY=1.7×10 12(500+RDLY)

通常RDLY的推薦值為5kΩ。TDLY的單位為秒。

3.6 過(guò)調(diào)制保護(hù)

圖4為過(guò)調(diào)制保護(hù)工作波形。當(dāng)輸入信號(hào)幅值高于內(nèi)部三角波時(shí)，過(guò)調(diào)制條件發(fā)生，如果缺少過(guò)調(diào)制，將導(dǎo)致功率MOSFET永久性毀壞。在正統(tǒng)波頂部，過(guò)調(diào)制保護(hù)還提供一個(gè)軟削波（soft clip）型響應(yīng)。對(duì)于給定的相同的電壓和負(fù)載，這種限幅將使輸出功率降低。

3.7 反饋放大器和濾波器

反饋放大器用來(lái)進(jìn)行差動(dòng)取樣輸出信號(hào)并為誤差放大器提供一個(gè)單端反饋信號(hào)，反饋信號(hào)直接取自LC濾波器之前的開關(guān)輸出，從而避免了輸出濾波器引起的相移。來(lái)源于橋式輸出的差動(dòng)信號(hào)經(jīng)單極點(diǎn)或雙極點(diǎn)的RC濾波器進(jìn)入到作為反饋放大器使用的高輸入阻抗測(cè)量放大。反饋測(cè)量放大器的內(nèi)部固定增益為1。

3.8 誤差放大器

音頻輸入信號(hào)與來(lái)自輸出的反饋信號(hào)在誤差放大器上相加。放大器增益由外部電阻RF和R1決定。并聯(lián)反饋電容CF和電阻RF組成低通濾器，可用于限制輸入音頻信號(hào)和反饋信號(hào)的頻率含量。

3.9 外部元件功能說(shuō)明

對(duì)于圖2所示的應(yīng)用電路，LM4651/LM4652外部主要元件的功能說(shuō)明如表3所列。

表3 外部元件功能說(shuō)明

4 其它

為進(jìn)一步提高D類音頻放大器的性能，可以采用LM833來(lái)設(shè)計(jì)帶2階代通濾波器并使其增益為10（20dB）的簡(jiǎn)單輸入級(jí)電路，如圖5所示。在超低音應(yīng)用中，低通濾波器的極點(diǎn)頻率通常設(shè)定在60～180Hz。

需要說(shuō)明的是：用LM4651/LM4652組成的D類放大器的PCB板宜采用雙面印刷電路板。