D類音頻功放電路已經投入使用數十年瞭。 相對於更普遍的線性AB類拓撲而言， D類功放的效率更高，體積更小。
AB類功放中，輸出電壓等於(yú)音箱和軌電壓之差，並(bìng)且随音頻信号變換。 所以，其電量損耗就是這個電壓和輸出電流的積。
因爲典型的工作效率是30%， 所以AB類輸出端通常需要有散熱器和風(fēng)扇， 特别是其功率超過(guò)50W的時候。
相反，在D類功放中， 輸出設備的轉接和傳輸損耗占主導。 這些三極管(一般是工作在飽和狀态的功率MOSFETs)可以達到90%以上的工作效率。通過一個無源LC濾波器使電源級的軌至軌輸出平滑，從而複原音頻信号。
在許多便攜設備中，D類耳機功放有助於延長電池壽命和縮小設備的體積。 在高功率應用中， D類拓撲可以縮小設備的體積、重量和成本(通過顯著縮小或者取消散熱片)。
問題，解決方案
某些電路的運轉會影響D類音頻性能。其中比較顯著的有:波形轉換的上升沿和下降沿的時間、高低級橋接的延遲(chí)差别、高低級傳(chuán)輸間隔中的空載時間還有轉換時間的不穩定性。
上升沿和下降沿的時間由FET驅動器的輸出電流的能力和FET的總的栅極電荷決定。空載時間産生瞭一個取決於信号的增益錯誤，導緻瞭輸出信号的變形。噪聲影響瞭FET的轉接時間，導緻信号不穩定，從而影響瞭總諧波失真(THD)和音響效果。
爲瞭(le)降低THD和噪聲，一些半導體廠(chǎng)商(比如:International Rectifier)提供瞭(le)固體驅動器， 它能以±100V的電壓提供1A或者更高的栅極驅動電流來驅動半橋拓撲達到500W功率級，而這種設計隻有8ohm的阻抗。
這些驅動(dòng)器可以包含在高低級轉接器間的最大20ns的激光微調(diào)吞吐量匹配的功能。
最近， 生産廠商開發瞭(le)一種驅動器， 它採(cǎi)用可編程修正空載時間來同時解決THD的三個來源問題:空載時間精度、延遲匹配和轉接不穩定度。對這些器件來說，激光微調不但可以修正空載時間到幾個離散的時間區段，而且從根本上消除瞭(le)對延遲匹配的需求。
驅動器關掉一個FET之後，在它打開相對的轉接器之前，通過一個強制編(biān)程的空載時間最大限度地降低瞭(le)轉接信号的不穩定性。 在這期間，系統排除瞭(le)那些可能會影響轉接時間的噪聲信号。
空載時間的可編程性讓用戶可以設定驅動時間來滿足電路的橋FET的需求。對於(yú)給定的拓撲， 功放設計者爲瞭(le)盡可能地提高輸出功率， 不得不使用更大的橋FET，而這些橋FET的栅極總電荷也更大。對於(yú)給定的栅極驅動電流，功放越大需要的空載時間也就越長。
圖1:IC栅極驅動器有益於簡化D類功放設計並且其THD+N性能指标達到瞭最優的AB類功放
最普遍客觀的功放性能評估就是THD-plus-noise (THD+N)測(cè)量。擁有上面提到的特征的D類驅動(dòng)IC配合以謹慎的layout就會得到一個優秀的THD+N指标。
這種驅動器是一個400kHz的配有一個連接轉換節點的反饋路徑的自激振蕩設計。其THD+N指标相當(dāng)於(yú)或優於(yú)某些高端AB類功放得到的最好成績。
故障保護
音頻功放設計的挑戰性問題之一就是故障保護，特别是針對在系統安裝或再調(diào)試的過程中引起的輸出短路的過載(OC)條件。離散健全保護系統使用分區評分(scores of parts)，這樣可以節省闆面空間但是卻會影響可靠性。如果希望它們在電(diàn)路正常運行中保持聲透狀态的話，那就需要一定的附加工程量。
圖2:IC驅動器提供瞭可配置的過載斷電保護，低壓斷電保護和一個浮動的前端界面
通過同時在高級和低級轉接器裏加入可編(biān)程過載保護，半橋驅動器可以增強保護功能，加強聲透性，並(bìng)且可以降低功放設計風險和周期。
保護電路使用每個轉接器的RDS(on)作爲電流感應單元。因此，隻需再外加一些設計即可完成過載保護。圖3展示瞭(le)過載保護的工作狀态。當過載發生時，輸出被中斷。輸出電感安全地釋放瞭(le)它所存儲的能量並(bìng)且輸出端電壓始終保持在0V。
UVLO(低壓斷電)是另外一個重要的保護特征。如果電源低於(yú)IC的最小工作電壓，它就無法驅動栅極，這樣就在橋FETs裏産生瞭(le)直通電流。
在這些條件下，驅動器的UVLO關閉(bì)兩個栅極。爲瞭(le)實現低壓保護，驅動器IC通過VB和VS管腳來測知高端軌的栅極驅動控制功率，對低端軌來說則是通過VCC和COM管腳。
圖3:過載斷電保護(臨界特征)順利地爲濾波器電感放電與此同時保證輸出零電壓
功放設計者可以通過CSD管腳來給驅動器的錯誤響應編(biān)程。這個管腳提供5個功能:自回複定時器、斷電、鎖存保護、斷電狀态輸出和上電延遲(chí)定時器。
自回複定時器通過一個外部時間電容來設定斷電間隔，超出這個時間間隔，驅動器會重新啓動。這個功能還提供瞭(le)一個上電延遲以便於(yú)在功放開始驅動音箱之前來穩定供電水平。
CSD腳可以作爲一個遠程斷電信号輸入端。如果一個外部器件，例如一個開漏微控制器的I/O管腳把CSD腳拉低，那麽驅動器就會關閉(bì)。一旦這個外部器件釋放瞭(le)這個管腳，那麽則有一個内部的電流源重新将外部的時間電容充電到之前的狀态。
故障保護鎖可以通過電(diàn)阻和FET實現。它在驅動器重啓之前需要一個明確(què)的複位信号。隻要在鎖存狀态電(diàn)路裏加一些設計就可以爲鎖存電(diàn)路增加一個故障狀态信号的輸出功能。
浮動點控制
如果聲音的改善和集成的故障保護還不夠的話，今天的D類驅動器還提供瞭(le)浮動點(diǎn)控制輸入。這個結構大幅簡化瞭(le)功放和系統前端的交流。
這個IC突出瞭(le)三個分離壓阱的特點;其襯底作爲低端軌的COM，高端軌對應VS，浮動點輸入則對應於(yú)VSS。 控制電路可以以系統地端或者低軌爲準。這個IC包含瞭(le)五級移相器:三個通訊保護電路信号;兩個栅極驅動信号。圖2展示瞭(le)三個分離壓阱和5級移相器。
DirectFET的應用
在任何一個高頻系統裏，低layout和低器件幹擾是達到高性能的基礎(chǔ)。 DirectFET MOSFETs沒有導線接頭並(bìng)且導線電感很小。
這種DirectFET器件降低瞭(le)栅極和導電電路電感。小的栅極電路電感降低瞭(le)轉接延遲。比較低的源漏封裝電感相比TO-220封裝産(chǎn)生瞭(le)更大的dV/dt而EMI更小。 DirectFET封裝提供瞭(le)低熱抗和雙面冷卻的好處，這樣就簡化瞭(le)熱學設計。
優化轉接器的參數可以得到最大的工作效率。供電部分的大小和成本随著(zhe)轉接頻率的提升而下降。在圖1中，一個單級雙元LC輸出濾波器給出瞭(le)它在400kHz的結果。
實際應用中最好的MOSFET不一定要有最低的RDS(on)。頻率提高的時候，轉接損失成爲瞭(le)一個不可忽視的因素。因此，設計者一定要在總栅極電(diàn)荷和RDS(on)之間找到一個最好的平衡。
圖1的結果還取決於(yú)低MOSFET封裝電感。這個120W，4OHM的設計既不需要散熱片也不需要風扇。今天，針對D類應用的MOSFETs兼容瞭(le)高壓和高轉接頻率。 |
