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摘 要：本文以电子设备防护性设计为主线，结合D类音频放大器，实现了声学设计和电子设计的完美结合。在不久的将来，便携式电子音频放大器可能会结合一些可均衡频率响应、降低失真和优化收听效果的智能或自动化方法。
关键词：电子设备 D类音频放大器 微电技术
在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器，AB类放大器和B类放大器。与D类放大器设计相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。
1音频D类放大器设计因素
虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用，但是有一些重要问题需要设计工程师考虑，包括：输出晶体管尺寸选择；输出级保护；音质；调制方法；抗电磁干扰（ EMI）； LC滤波器设计；系统成本。
2差分与单端方式的比较
D类放大器中输出晶体管和LC滤波器的差分实现，H桥具有两个半桥开关电路，它们为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器包含两个电感器、两个电容器和扬声器。每個半桥包含两个输出晶体管，一个是连接到正电源的高端晶体管MH，另一个是连接到负电源的低端晶体管ML。经常采用高端nMOS晶体管以减小尺寸和电容，但需要特殊的栅极驱动方法控制它们。全H桥电路通常由单电源（VDD）供电，接地端用于接负电源端（VSS）。对于给定的VDD和VSS，H桥电路的差分方式提供的输出信号是单端方式的两倍，并且输出功率是其四倍。半桥电路可由双极性电源或单极性电源供电，但单电源供电会对DC偏置电压产生潜在的危害，因为只有VDD/2电压施加到过扬声器，除非加一个隔直电容器。 “激励”的半桥电路电源电压总线可以超过LC滤波器的大电感器电流产生的标称值。在VDD和VSS之间加大的去耦电容器可以限制激励dV/dt的瞬态变化。全桥电路不受总线激励的影响，因为电感器电流从一个半桥流入，从另一个半桥流出，从而使本地电流环路对电源干扰极小。
3 D类音频放大器的工作原理
D类音频放大器的工作原理决定它需要使用开关型输出级，而这种输出级会发射出很强的电磁干扰。插入电感或铁氧体磁珠和使用电容进行旁路的措施可把电磁干扰降到低于一定水平进而通过标准的EMI测试。下面是选择电感和铁氧体磁珠的一些基本准则：使用额定电流高和开放式磁回路磁芯电感，以避免电感器饱和非线性所产生的失真。屏蔽型电感的饱和曲线常常很“硬”。与相同额定电流的电感相比，铁氧体磁珠尺寸较小但造成的失真较大。 调制方案对输出电磁干扰会产生重大影响。ADI公司的SSM2301/2302/2304所使用的Σ-Δ脉冲密度调制可使电磁干扰均匀地散播出去，更易于通过EMI测试。PCB（印制电路板）布局对降低电磁干扰有非常重要的作用。一个关键措施是让电源和输出去耦电容器彼此靠近，这样就可以将它们的地线端子直接焊在一起。所有连接到扬声器端子的PCB走线始于去耦电容焊盘而不是铁氧体磁珠焊盘，否则，电磁干扰无法降到最低限度。对于Vdd轨，我们对C6使用了同样的技术。放大器的引脚5和8节点发射的电磁干扰最大，这些节点的物理连接尺寸应尽可能地小，同时不要在这些节点上布局长的PCB走线。
4输出晶体管尺寸选择与保护
选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS时保证VDS很小，要求输出晶体管的导通电阻（RON）很小（典型值为0.1W～0.2W）。但这要求大晶体管具有很大的栅极电容（CG）。开关电容栅极驱动电路的功耗为CV2f，其中C是电容，V是充电期间的电压变化，f是开关频率。如果电容或频率太高，这个“开关损耗”就会过大，所以存在实际的上限。因此，晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一个折衷。在高输出功率情况下，功耗和效率主要由传导损耗决定，而在低输出功率情况下，功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的RON×CG减至最小以减少开关应用中的总功耗，从而提供开关频率选择上的灵活性。
输出级必须加以保护以免受许多潜在危险条件的危害：过热： 尽管D类放大器输出级功耗低于线性放大器，但如果放大器长时间提供非常高的功率，仍会达到危害输出晶体管的水平。为了防止过热危险，需要温度监视控制电路。在简单的保护方案中，当通过一个片内传感器测量的温度超过热关断安全阈值时，输出级关断，并且一直保持到冷却下来。除了简单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示以外，传感器还可提供其它的温度信息。通过测量温度，控制电路可逐渐减小音量水平，减少功耗并且很好地将温度保持在限定值范围内，而不是在热关断期间强制不发出声音。
输出晶体管过流： 如果输出级和扬声器端正确连接，输出晶体管呈低导通电阻状态不会出现问题，但如果这些结点不注意与另一个结点或正、负电源短路，会产生巨大的电流。如果不经核查，这个电流会破坏晶体管或外围电路。因此，需要电流检测输出晶体管保护电路。在简单保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，输出级关断。在比较复杂的方案中，电流传感器输出反馈到放大器中，试图限制输出电流到一个最大安全水平，同时允许放大器连续工作而无须关断。在这个方案中，如果限流保护无效，最后的手段是强制关断。有效的限流器还可在由于扬声器共振出现暂时的大瞬态电流时保持放大器安全工作。欠压： 大多数开关输出级电路只有当正电源电压足够高时才能正常工作。如果电源电压太低，出现欠压情况，就会出现问题。这个问题通常通过欠压封锁电路来处理，只有当电源电压大于欠压封锁阈值时才允许输出级工作。输出晶体管导通时序：MH和ML输出级晶体管具有非常低的导通电阻。因此，避免MH和ML同时导通的情况很重要，因为它会产生一个从VDD到VSS的低电阻路径通过晶体管，从而产生很大的冲击电流。最好的情况是晶体管发热并且消耗功率；最坏的情况是晶体管可能被毁坏。晶体管的先开后合控制通过在一个晶体管导通之前强制两个晶体管都断开以防止冲击电流情况发生。两个晶体管都断开的时间间隔称为非重叠时间或死区时间。
参考文献：
[1]谈蓓月. D类音频放大器设计[J].可再生能源，2011（2）
[2]李蔚燕. 某机载电子设备结构设计[J].灯与照明，2012，31（1）
关键词：电子设备 D类音频放大器 微电技术
在传统晶体管放大器中，输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括A类放大器，AB类放大器和B类放大器。与D类放大器设计相比较，即使是最有效的线性输出级，它们的输出级功耗也很大。这种差别使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，因为低功耗产生热量较少，节省印制电路板（PCB）面积和成本，并且能够延长便携式系统的电池寿命。
1音频D类放大器设计因素
虽然利用D类放大器的低功耗优点有力推动其音频应用，但是有一些重要问题需要设计工程师考虑，包括：输出晶体管尺寸选择；输出级保护；音质；调制方法；抗电磁干扰（ EMI）； LC滤波器设计；系统成本。
2差分与单端方式的比较
D类放大器中输出晶体管和LC滤波器的差分实现，H桥具有两个半桥开关电路，它们为滤波器提供相反极性的脉冲，其中滤波器包含两个电感器、两个电容器和扬声器。每個半桥包含两个输出晶体管，一个是连接到正电源的高端晶体管MH，另一个是连接到负电源的低端晶体管ML。经常采用高端nMOS晶体管以减小尺寸和电容，但需要特殊的栅极驱动方法控制它们。全H桥电路通常由单电源（VDD）供电，接地端用于接负电源端（VSS）。对于给定的VDD和VSS，H桥电路的差分方式提供的输出信号是单端方式的两倍，并且输出功率是其四倍。半桥电路可由双极性电源或单极性电源供电，但单电源供电会对DC偏置电压产生潜在的危害，因为只有VDD/2电压施加到过扬声器，除非加一个隔直电容器。 “激励”的半桥电路电源电压总线可以超过LC滤波器的大电感器电流产生的标称值。在VDD和VSS之间加大的去耦电容器可以限制激励dV/dt的瞬态变化。全桥电路不受总线激励的影响，因为电感器电流从一个半桥流入，从另一个半桥流出，从而使本地电流环路对电源干扰极小。
3 D类音频放大器的工作原理
D类音频放大器的工作原理决定它需要使用开关型输出级，而这种输出级会发射出很强的电磁干扰。插入电感或铁氧体磁珠和使用电容进行旁路的措施可把电磁干扰降到低于一定水平进而通过标准的EMI测试。下面是选择电感和铁氧体磁珠的一些基本准则：使用额定电流高和开放式磁回路磁芯电感，以避免电感器饱和非线性所产生的失真。屏蔽型电感的饱和曲线常常很“硬”。与相同额定电流的电感相比，铁氧体磁珠尺寸较小但造成的失真较大。 调制方案对输出电磁干扰会产生重大影响。ADI公司的SSM2301/2302/2304所使用的Σ-Δ脉冲密度调制可使电磁干扰均匀地散播出去，更易于通过EMI测试。PCB（印制电路板）布局对降低电磁干扰有非常重要的作用。一个关键措施是让电源和输出去耦电容器彼此靠近，这样就可以将它们的地线端子直接焊在一起。所有连接到扬声器端子的PCB走线始于去耦电容焊盘而不是铁氧体磁珠焊盘，否则，电磁干扰无法降到最低限度。对于Vdd轨，我们对C6使用了同样的技术。放大器的引脚5和8节点发射的电磁干扰最大，这些节点的物理连接尺寸应尽可能地小，同时不要在这些节点上布局长的PCB走线。
4输出晶体管尺寸选择与保护
选择输出晶体管尺寸是为了在宽范围信号调理范围内降低功耗。当传导大的IDS时保证VDS很小，要求输出晶体管的导通电阻（RON）很小（典型值为0.1W～0.2W）。但这要求大晶体管具有很大的栅极电容（CG）。开关电容栅极驱动电路的功耗为CV2f，其中C是电容，V是充电期间的电压变化，f是开关频率。如果电容或频率太高，这个“开关损耗”就会过大，所以存在实际的上限。因此，晶体管尺寸的选择是传导期间将IDS×VDS损失降至最小与将开关损耗降至最小之间的一个折衷。在高输出功率情况下，功耗和效率主要由传导损耗决定，而在低输出功率情况下，功耗主要由开关损耗决定。功率晶体管制造商试图将其器件的RON×CG减至最小以减少开关应用中的总功耗，从而提供开关频率选择上的灵活性。
输出级必须加以保护以免受许多潜在危险条件的危害：过热： 尽管D类放大器输出级功耗低于线性放大器，但如果放大器长时间提供非常高的功率，仍会达到危害输出晶体管的水平。为了防止过热危险，需要温度监视控制电路。在简单的保护方案中，当通过一个片内传感器测量的温度超过热关断安全阈值时，输出级关断，并且一直保持到冷却下来。除了简单的有关温度是否已经超过关断阈值的二进制指示以外，传感器还可提供其它的温度信息。通过测量温度，控制电路可逐渐减小音量水平，减少功耗并且很好地将温度保持在限定值范围内，而不是在热关断期间强制不发出声音。
输出晶体管过流： 如果输出级和扬声器端正确连接，输出晶体管呈低导通电阻状态不会出现问题，但如果这些结点不注意与另一个结点或正、负电源短路，会产生巨大的电流。如果不经核查，这个电流会破坏晶体管或外围电路。因此，需要电流检测输出晶体管保护电路。在简单保护方案中，如果输出电流超过安全阈值，输出级关断。在比较复杂的方案中，电流传感器输出反馈到放大器中，试图限制输出电流到一个最大安全水平，同时允许放大器连续工作而无须关断。在这个方案中，如果限流保护无效，最后的手段是强制关断。有效的限流器还可在由于扬声器共振出现暂时的大瞬态电流时保持放大器安全工作。欠压： 大多数开关输出级电路只有当正电源电压足够高时才能正常工作。如果电源电压太低，出现欠压情况，就会出现问题。这个问题通常通过欠压封锁电路来处理，只有当电源电压大于欠压封锁阈值时才允许输出级工作。输出晶体管导通时序：MH和ML输出级晶体管具有非常低的导通电阻。因此，避免MH和ML同时导通的情况很重要，因为它会产生一个从VDD到VSS的低电阻路径通过晶体管，从而产生很大的冲击电流。最好的情况是晶体管发热并且消耗功率；最坏的情况是晶体管可能被毁坏。晶体管的先开后合控制通过在一个晶体管导通之前强制两个晶体管都断开以防止冲击电流情况发生。两个晶体管都断开的时间间隔称为非重叠时间或死区时间。
参考文献：
[1]谈蓓月. D类音频放大器设计[J].可再生能源，2011（2）
[2]李蔚燕. 某机载电子设备结构设计[J].灯与照明，2012，31（1）