数字音频功率放大器优化设计

李 鸿，赵亚冬

（湘潭职业技术学院 湖南 湘潭 411102）

数字音频功率放大器广泛应用于DVD内置功放、汽车功放、桌面音响、计算机多媒体、大功率专业功放以及各种多通道AV功放，其高效率的特点受到了广泛的关注。但功率普遍在200W以下，效率在85%左右，失真度指标在0．5%左右，频响±3 dB，不能满足人们日益增长的对音乐品质及节省能源的追求[1]。因此，进一步改善影响音质的重要指标（失真度、频响、信噪比），提高数字功放的效率非常重要。

1 数字音频功率放大器优化设计

目前，数字音频功放的的基本原理如图1所示。脉冲编码器内部的信号处理电路对输入的数字音频信号进行超采样、噪声整形、PWM编码等处理输出PWM信号。输出的PWM信号经驱动电路放大和箱位，驱动由场效应管组成的开关放大电路，输出放大的PWM信号。放大后的PWM信号经解调滤波器还原为模拟音频信号。

图1 数字音频功放组成原理框图Fig．1 Composition principle diagram of digital audio amplifier

1.1 脉宽编码调制器的优化—自然采样法脉宽调制（NPWM）

目前，数字功放的脉宽调制器普遍采用的是PCM/PWM转换器，采用归一化采样法脉宽调制技术（UPWM）[2]，采样的信号是由原始的模拟信号经脉冲编码过后的数字信号，在模/数转换过程存在一定的误差，数字信号不能100%再现原始信号，采样过后的数字信号还要进行内插和噪声整形。因此，UPWM失真度指标较高。

1.1.1 NPWM调制技术

NPWM采用的是模拟音频信号或数字音频信号经D/A变换后得到的模拟信号与三角波载波信号进行比较，得到PWM波形。波形输出出现在音频信号与载波的交点处，采样值就是音频信号的真实值。输出的信号频谱中含有音频信号、载波信号、载波的谐波分量、音频信号与载波以及音频信号谐波与载波谐波相互作用得到的边带信号，可以通过提高载波频率，减小边带信号失真，加入二阶低通滤波器进行滤波，得到所需要的PWM信号[3-4]。NPWM调制过程不存在量化过程，无量化误差产生，能保证音频还原的高动态指标；NPWM处理时延短，输入输出均为模拟信号，能采用线性控制方法补偿从输入到输出的各个环节产生的非线性和噪声，保证还原音频信号的高保真度。

根据调制的边沿、产生的脉宽频率形式不同，NPWM有多种采样方式。其中，双边带三电平自然采样式脉宽调制（NBDD）调制性能、频谱特性最好，指标更优，采样频率翻倍，有利于解调滤波器和控制系统的设计，需要去除的频率成分都与载波相关联，在调制指数较低时，M和IM-component的幅度成线性关系，无用频谱完全从组成成分中去除。因此，NBDD是NPWM调制方式的首选。

1.1.2 NPWM调制技术的实现

NBDD实现框图如图2所示。输入的模拟音频信号首先经隔离放大器进行放大，并进行低通滤波，再与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器进行误差放大，输出放大的误差音频信号。放大的误差信号和载波信号送到脉宽调制器，进行NBDD调制产生PWM信号。三角波发生器产生高线性度的三角波信号作为载波信号，避免三角波的非线性影响PWM调制器的线性度、整机的失真度；为还原良好的音频，PWM开关频率不能低于200 kHz，；采用响应速度快、功耗低、输入偏移电压小的高速比较器；采用输入阻抗高、工作电流低、增益带宽宽、上升速度快、共模抑制比良好、漂移电压低的音频放大器和误差放大器。

图2 脉宽编码调制器实现框图Fig．2 Realization block diagram of pulsewidth codingmodulator

1.2 开关放大器的优化设计

开关放大器的效率决定数字功放的效率，理论上开关放大器的效率为100%[5]。实际工作中开关放大器中的场效应管从导通到关断、关断到导通都存在一定的延迟，各极间电容的存在都将带来一定的损耗，脉宽编码调制信号的频率、驱动放大器的设计也将影响损耗的大小。

1.2.1 引入死区时间（Dead-Time），减小串通损耗和C ds损耗

根据串通损耗、Cds损耗产生的原理，可以调整场管栅极上的驱动电压，保证在上管完全截止后再让下管开始导通，在下管完全截止后再让上管开始导通。这种在两驱动信号之间按“延迟导通，正常截止”的原则，加入的时间称为死区时间[6]，引入Dead-Time，错开两只场管的过渡区能有效的减少串通损耗，也能减小输出电容Cds损耗，提高开关放大器的效率，图3分析了工作在一个开关臂上的两个N沟场效应管的情况。

图3 引入Dead-time前后驱动信号对比Fig．3 Drive signal contrast before and after introducing

进入截止状态的场管按正常时刻进入截止状态，进入导通状态的场管被滞后τ时间间隔后才开始导通，避免两只场管同时处于ON-OFF过渡状态，减小串通损耗，同时场管输出电容Cds上存储的能量完全释放到负载，没有被损耗。要注意的是Dead-Time的引入将在放大器的功率输出端引起误差电压，相关联的负载电流将产生误差，使信号产生失真。因此在保证有效减少串通损耗和Cds损耗的同时，应尽量选取小的Dead-Time。

Dead-Time实现原理如图4所示。图中IN为输入脉宽调制信号，OUT上、OUT下为加入Dead-Time的脉宽调制信号。Dead-Time时间由RC乘积的倒数决定，器件采用逻辑门电路。

图4 Dead-time实现原理图Fig．4 Implementation principle diagram Dead-Time

1.2.2 合理选取载波频率

载波频率越高，功率放大器的开关频率随之升高，大大增加开关器件的开关损耗，造成功率放大器的效率下降。载波频率越低，功率放大器的输出高频干扰不容易滤除，输出波形失真大；同时采样误差变大，导致较高的总谐波失真，难达到高的保真度[7]。

一般载波信号的频率fs和调制信号的频率ft满足如下关系：fs=（10～20）ft。通过实验和测试，本优化方案选取脉宽调制频率约为250 kHz，250 kHz的开关频率是失真度和效率之间一个很好的均衡。

1.2.3 场管的选取

场效应管是开关放大器的关键器件，其特性直接影响数字音频放大器的可靠性、效率、失真度等性能指标。组成开关放大器的场效应管尽量选取同一型号，注意选取RDS（on）、时间常数、输入电容Ciss、漏源电容CdS小的场管，输出功率较小时采用 SO-8、D-PARK、TO-220等封装形式，较大时选取TO-247AC封装形式。

1.3 引入线性反馈控制技术

为减小PWM变换、Dead-Time逻辑处理、驱动、开关放大电路、LPF滤波器等引入的非线性失真和噪声，可加入单个或多个线性反馈环路、电压电流反馈控制CVFC等3种，本优化设计选用电压反馈控制技术（VFC2）。VFC2控制结构简单、稳定性好，适合在数字功放中使用。控制原理框图如图5所示。

图5 VFC2控制技术原理框图Fig．5 Principle diagram of VFC2 control technology

1.4 低通滤波器的优化设计

低通滤波器的优化设计主要是降低产生的损耗，进一步提高效率，通过合理选取磁芯来实现。比较各种磁性材料，铁粉芯磁芯比较适合数字功放滤波使用。铁粉芯是由碳基铁磁粉粒和树脂碳基铁磁粉粒构成，在磁粉芯中价格最低，传导损耗小，饱和磁密在1．4 T左右，比铁氧体高，相对磁导率在10～100。本优化设计选择MICROMETALS公司铁粉芯系列的T157-2型磁芯，单位磁通量为14 nH/N2。

1.5 完善保护功能设计

保护功能的设计主要考虑电源接反、输出与地短接、输出短路、输入电源电压范围超过了场效应管所能承受的最大电压、模块内部温度骤升超过了场效应管的结温温度。

办法是在电源端、音频输出端分别引入电流检测电路，当有误操作发生时，电流将急速增加，检测电路实时检测，当超过判决门限时发出保护信号实施保护。实现框图如图6所示。图中R1为功率型精密电阻，串联在电源线或输出功率线之间。阻值的设定由保护电流值及三极管的基极、发射极导通电压来确定，一般为数个几十毫欧的电阻并联。V1为NPN型三极管，选取时应注意VCE耐压值要大于电源电压值。电阻R2、R3为分压电阻，以提供合适的电压，输出保护信号。利用热敏电阻实现对温度的检测，将热敏电阻放置在场效应管的周围，通过一个分压电阻连接在低电压电源和地之间。当温度升高时，热敏电阻阻值发生变化，和分压电阻分压产生保护信号输出。产生的保护信号统一送到驱动器的控制使能端，控制调制信号的产生，关闭开关放大器，模块进入保护状态，输出保护指示。

图6 电流检测电路实现框图Fig．6 Realization diagram of current detection circuit

2 高效数字音频功率放大器的实现

根据上述优化设计方案，研制开发出一款高效数字音频功率放大器的原理框图如图7所示（图中仅示出一个通道）。

图7 高效数字功率放大器实现原理框图Fig．7 Realization principle diagram for efficient digital amplifier

采用两个独立的通道，可单独、同时或桥接成一个通道完成信号的数字处理和功率放大。每个通道都可以在半桥、全桥工作模式下工作。开关放大器的供电电压为±120 V，前级数字处理部分的供电电压为±15 V，驱动部分的供电电压为悬浮于-120 V的12 V的电压。

输入的模拟音频信号经隔离放大器进行放大，同时进行低通滤波。低通滤波器采用二阶Butterworth低通滤波器，截止频率37 kHz，3 dB带宽22 kHz。滤波过后的信号与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器进行误差放大，输出放大的误差音频信号，音频放大器和误差放大器选用Harris公司的CA5470。将放大的误差信号和载波信号送到脉宽调制器，进行NBDD调制产生PWM信号。载波信号是由三角波发生器产生的高线性度的模拟三角波信号，频率为230～280 kHz可调。反相器采用Harris公司的CA4069。PWM信号插入Dead-Time后送到浮动电源和自举相结合的美国IR公司开发的IR2110驱动器进行预放大，放大了的PWM信号驱动由场效应管（选用IR公司的IRFP264N）组成的半桥开关放大器进行功率放大，输出功率PWM信号，送到Butterworth低通滤波器还原出模拟音频信号，同时被采样作为反馈信号送到误差放大器。

该音频功率放大器各项技术指标接近于世界专业功放水平，音质接近模拟功放。半桥单通道输出功率达到1 000W，桥接成全桥输出功率达到2 000W，失真度优于0．05%，信噪比大于110 dB，效率达到93%。

3 结 论

双边带三电平自然采样法脉宽调制技术的引入，提高了整机的失真度指标，降低了低通滤波器设计阶数、改善了信噪比；Dead-Time技术的引入减小了开关放大器的串通损耗和漏源电容损耗，提高了整机效率；负反馈的引入减小了系统引入的非线性失真和噪声。优化设计后，大大提高了电源的利用率，数字功放功率更大、体积更小，音质更加完美，相比模拟功放更具优势。

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