一种图腾柱放大电路和结构研究

潘少祠，雷久淮，王 微，姚 岛

(广东省科学院电子电器研究所，广东 广州)

引言

目前音频功率放大器的应用已经从原来的模拟线性功放A 类，B 类，AB 类结构转向D 类音频放大器并广泛普及应用，在众多领域已经取代线性功放；D类音频放大器也称数字功放或D 类音频功放，D 类音频功放在效率和功耗上已经得到了很大的提升，但还有进一步提升的空间，特别是在尺寸、电路和结构，以及工程设计应用和生产方面。本文通过对一种图腾柱功率放大电路和结构研究，及其应用到D 类音频功放[1]，经结构优化减少电路PCB 尺寸及缩小散热器体积，通过模块化设计思路[2]，实现D 类音频功放使用场景中的灵活扩展和组合应用。

1 原理与设计

目前D 类音频功放电路主要有半桥式和全桥式结构，输出类型有互补型和图腾柱型。互补结构允许单端输入，但是却存在较大缺陷，上下管可能会同时导通。图腾柱结构采用双驱动输出，可设置死区时间，避免了上下管的同时导通。图腾柱电路结构常应用于D 类音频功放，其失真度随着采样频率的提高，现在的D 类音频功放已经可以达到线性功放的失真度水平[3-4]，其他关键指标：效率和电磁兼容，而电磁兼容等问题还是主要面临的问题，电路工作时功率管的开通、关闭和导通都会消耗功率，随着功率半导体技术的发展，功率管的导通电阻已经降低到毫欧级别，而功率管的开启和关闭是主要功耗来源[5-6]。通过电路和结构的研究，设计电路选择合适的工作点可以让D类音频功放保持最佳的工作效率，同时失真度基本不影响，还可以改善电磁兼容EMI 性能[7-8]。

1.1 电路分析

结合图腾柱结构，进行D 类音频功放的效率分析，如图1 所示。通常图腾柱电路器件和输出结构器件设计决定着整个电路的效率。

图1 半桥图腾柱结构

其中T 为采样信号周期，当线性负载时有I=IL。

根据公式（6），预设功率管的开启和关闭过程时间固定，得到采样频率与电路效率的关系曲线。在D类放大电路中，采样频率越高，电路的效率会降低。

而根据公式t=N/fs，fs 为采样频率，在1 kHz 正弦波中，采样率越高说明采样的点越多，波形越接近于真实波形，波形的线性失真越小。

因此在高效率与低失真之间只能折中，而实际中线性失真对于人耳的听觉分辨其实影响还不是关键的，总谐波失真在1%以下，一般耳朵分辨不出来。因此在设计中更加着重考虑电路效率和电磁兼容的问题。看似只是两个问题其实还会影响到散热、结构、电路布局、布板和外形等。

1.2 电路设计

根据研究内容设计电路的参数如表1 所示。

表1 电路设计参数

1.2.1 原理图分析

采用图腾柱结构的D 类音频功放，主电路结构如图2 所示，采取高低侧独立驱动输出，高压侧驱动供电采用电容升压电路可以减少电路器件[3]。直流偏压反馈采样控制零点电压动态平衡，输入设计RC 带通滤波电路，输出电感采用扁平贴片功率电感，能够减少漏磁，改善电磁兼容EMI 特性，电感直流电阻在几十毫欧，基本不影响音频输出；滤波电容使用材质X7R 高频特性较好的MLCC 封装电容。电路中与电磁兼容EMI 关联的主要元件关键参数如表2 所示。

表2 效率测试数据

图2 D 类音频功率放大器主电路结构

与电磁兼容EMI 相关的除了元器件，电路布线也是其关键，如图2 电路中两个功率回路对电磁兼容EMI 高频影响比较重要，实际布线电路的环面积和滤波回路对电磁兼容特性有重要影响，要求环路面积尽量小，高频回路阻抗尽量低。

电路的电磁兼容特性仿真分析，根据图2 所示电路进行仿真，仿真波形采集滤波电感的滤波前信号EMIH 和滤波电感的滤波后信号EMIL，对信号EMIH和信号EMIL 进行频域分析，得到如图3 所示的频谱，从频谱图中可以看到，没有滤波的信号EMIH 含有丰富的高频分量频谱，而且幅度值都大于10 000 uV，即大于80 dBuV，如果没有滤波电路，直接经后级引线输出会造成严重的EMI 辐射骚扰，而不能满足国家标准中电磁兼容的要求。经过滤波后的信号EMIL，其频谱曲线几乎没有高频分量，其值已经低于标准要求的限制值，符合标准要求。

图3 信号EMIH 和信号EMIL 的仿真频谱对比

1.2.2 电路板图设计

根据表1 和图2 研究内容分析，设计电路印制版图，主要从两个方面考虑：电路性能和散热性能，具体考虑因素主要包括：布局、布线、安装结构、电磁兼容、散热、电气安全等。

如图4 所示，是设计好的电路布局布线结构图，图中PCB 板中是高频信号经电感的走向，由图中分析可知，为电感滤波提供了很好的高频回路，主要特点：环路面积小，滤波单元靠近高频发射端，因此能有效降低电路的电磁兼容EMI。

图4 PCB 板电磁兼容高频信号分析

功率管的散热通过贴装到平面散热器，能有效增大散热面积而体积增加很少，整体电路和结构简洁清晰，有利于工程化应用。

2 实验与测试

电路图布线制板的实物尺寸80 mm×42 mm×20 mm，主要包括：主电路板结构，散热器结构，各功能接口。进行实验与测试条件：输入信号是1 kHz500 mVpp 正弦波，负载是4 Ω 线性电阻，负载输出线缆长度1 m。

实验与测试进行了效率测试，电磁兼容测试和电路放大波形分析，对测试结果进行了简要的分析并得出结论。

2.1 效率测试

效率测试条件和结果如表2 所示。

从测试数据看，测试电路的效率结果与设计基本一致，符合设计要求。

2.2 电磁兼容测试

额定功率下电磁兼容测试辐射骚扰测试结果如表3 所示。在测试天线水平和垂直两个极化方向下，测试结果符合标准限值要求，低于限值6 dB 以上。

表3 电磁兼容测试辐射骚扰测试结果

2.3 波形测试分析

对D 类音频功放实物模型测量其信号放大后的波形，经电路放大后信号的波形比较平滑，没有过充振铃；如果放大信号中出现振铃现象，振铃现象对电磁兼容EMI 影响比较大，振铃波形中含有比较丰富的高频分量，经输出线缆向外辐射，此时再采取措施进行处理电磁兼容EMI 问题比较困难，可使用的方法和手段比较有限，而且常常很被动效果不佳。

经过实验和测试，此D 类音频功放实物模型对所研究的电路和结构均已得到验证，测试数据与理论研究结论相符，验证了电路和结构的可行性。

3 结论

限于研究时间，只进行了特定功率范围内图腾柱结构电路的效率、实际电路结构设计和电磁兼容等方面的研究。通过对图腾柱结构的D 类音频功放电路和结构的研究，经过理论分析，电路设计，实验环节，实验数据与理论研究相互验证。着重对电路的效率、电路性能、电磁兼容性进行了优化，特别是在电磁兼容的EMI 特性优化设计进行了电路板优化设计，避免了产品在出现不合格时通过外部增加器件进行整改，影响产品的结构、可靠性和生产。同时，确保电路电磁兼容性能也能保持电路的较高效率，对此类电路的设计和应用有工程化设计参考价值。