如何设计灵活可扩展的数字音频放大器
与A/B类放大器相比，D类放大器正在日益流行，其原因是它们的外形尺寸更小，且不会牺牲音质。对于许多音频技术工程师来说，D类意味着新的设计空间。
不妨设想某位音频工程师设计出自己的第一款D类放大器并给样机通电的情形。如果某天运气好，这位设计者所看到的全是理想的波形。而在那些不那么理想的日子里，可能会看到电路板上冒起滚滚白烟。于是整天的时间都将花在不断地替换功率级电路的各个器件上，而对于何处发生了故障却毫无头绪。这位工程师试图搞清发生故障的时刻及其根本原因，每一次的尝试都一再造成样机的烧毁，直到设计者能找出问题所在为止。
当音频技术工程师首次设计D类放大器时，在设计阶段必须高度谨慎，以避免上述的糟糕情形。与其他类型的音频放大器不同，D类放大器并非逐渐导通的。输出MOSFET必须处于完全导通或者完全截止状态，以避免过高的功率耗散所造成的失效。于是，在输出级的设计中，第一个关键步骤是确保PWM开关得到精密的调谐，而且得到了良好的保护。一旦做到这一点，设计者就可以专注于其工作中真正有意思的地方，即添加各种能够让其D类放大器设计独具特色的功能。
第一个关键步骤
有保护的PWM开关级是每一位D类放大器设计者所追求的目标。这带来了一个新概念，即设法提供灵活的、可扩展的和“受到防护”的D类音频放大器基本组件。
4种D类放大器基本组件
由于具有特定的电路架构，D类放大器包含了大量的功能模块(见图1)。其中每一个模块的工作原理都各不相同，需要设计者具备宽阔的技术知识面，并使得设计工作成为一项复杂和困难的任务。除了解调低通滤波器外，典型的D类放大器包含4种关键的功能电路。
图1 D类放大器的功能框图
误差放大器
理论上，D类放大器是线性的。然而，在现实中，D类放大器有多方面的非理想之处，例如，有限的开关时间、过冲/下冲、电源波动等。误差放大器通过将输出音频信号与输入音频信号进行比较，来修正输出级电路存在的这些非理想性。
PWM比较器
一旦误差放大器对输入音频信号进行了处理，使得输出具有与输入信号成比例的波形，比较器就可以将这一模拟信号变换为一个PWM信号。
栅驱动和MOSFET开关级
栅驱动级接收到来自于比较器的、以地电位为参考点的PWM信号，其电平被向下平移到以高端和低端MOSFET的每个源极为参考点的栅极驱动信号。在栅驱动级，在每个导通状态之间插入一段死区时间，以防止高端和低端MOSFET同时处于导通状态。
过载保护
保护电路可以防止MOSFET在出现过载时失效。在D类放大器中，MOSFET中的功率耗散与负载电流的平方成正比。过载保护电路可以测量输出电流，并确定过载状态。
集成的解决方案
将这4种关键功能集成为一体的单片式器件，如IR公司16引脚的IRS2092。该方案具备关键性的、有保护的PWM开关级，从而能避免前面所描述过的梦魇般的情境。虽然集成到单个器件中，其内部的各功能仍然能为音频工程师们提供一定程度的灵活性，使他们能够对其功能进行调整，满足特定的需要。
使用内置了4种D类放大器基本组件的IC解决方案所带来的另外一个好处是：它可以升级到不同的输出功率水平，或者扩展为数量不同的通道。对放大器进行扩展的过程变得简单，仅包含3个步骤，即只需更换MOSFET、修改死区时间参数和过载保护阈值。随着产品的演进，可扩展的设计通过共享相同的基础设计来缩短上市时间，并节省相应的设计费用。
另外，采用外部的MOSFET可以在EMI优化与效率之间建立一个折衷点来满足应用的需要。
要考察使用单片式的“基本组件”器件时所能达到的性能水平，不妨更细致地考察IRS2092音频IC所能达到的功能。
带噪声隔离的误差放大器
D类放大器的总体音频性能，例如其噪声和THD特性，在很大程度上取决于误差放大器的性能。与A类或A/B类放大器不同的是，D类放大器架构提出了独特的需求，需要具备几种不同的特性，以便让误差放大器能在噪声恶劣的环境中工作。因此，在线性应用中使用的误差放大器具备出色的音频性能，并不一定就意味着在 D类放大器中也能达到出色的效果。要找到能适合于这一应用的运算放大器，是非常耗时的试错过程。在本文所示出的设计实例中(见图2)，具有高度抗噪能力和5MHz带宽的集成运算放大器可以保证0.005%的THD性能。
图2 IRS2092的THD+N比 vs. 输出功率的变化情况
噪声隔离度
D类放大器包含了相互排斥的前端和后端，而电路架构又要求它们的位置必须尽可能地相互靠近。从实践的角度来看，在D类放大器设计中最棘手的部分，是决定如何将对噪声敏感的输入模拟电路与大功率输出级电路有危害性的开关噪声隔离开来。
当栅极驱动级与误差放大器集成在同一个硅片上时，最难以应付的挑战是如何对这两个电路进行电气隔离。 IRS 2092通过一种专有的结点隔离方法保证了噪声隔离度。
PWM比较器
音频信号经过了误差放大器处理、并被添加到决定开关频率的开关载波信号上之后，PWM比较器将混合的模拟信息变换为PWM形式。放大器的这一级电路实际上也会产生一部分环路增益。良好的PWM比较器可以很短的传输延迟将模拟信号变换为PWM信号，这可以让反馈环路设计具备更大的灵活性。
PWM电平平移
在成功地产生PWM信号后，下一个挑战就是将PWM信号从静态误差放大器区域传递到有噪声的开关级。要完成这一挑战性的任务，关键在于设法实现一个高性能的、高电压的电平转换器。
电平转换器可以将数字信号变换到不同的悬浮电位上。无论各侧之间的电压差为多少，良好的电平转换器都可以像理想的差分放大器那样 精确地传递PWM信号。
死区时间的插入
在D类放大器的核心电路方面，最具有挑战性的电路设计工作之一，就是PWM环路的设计。为了能够取得成功，设计者必须从事麻烦但却是至关重要的设计步骤，即那些与死区时间和保护有关的设计工作。
死区时间插入是无可避免的困难，被公认为D类放大器中开关级设计最关键的部分。考虑到MOSFET 具有有限的开关过渡时间，就可以通过插入死区时间来防止直通。虽然死区时间可以确保安全工作，但它会产生非线性，造成不希望出现的失真现象。设计者常常必须在获取更好的THD性能还是用尽安全裕度这两个方面作出取舍。
作为基本组件的IC，如IRS2092，其带有内置的死区时间插入功能，因此设计者只需根据所选用的MOSFET来选定死区时间长短即可。与外部的死区时间电路设计相反，若使用集成的死区时间电路，而且死区时间量有保证的话，则设计者无需对最差的情形进行估算。
栅驱动器和MOSFET
在D类放大器中，MOSFET是对信号进行放大的器件。事实上，并不存在所谓的能“扩大”输入信号的器件。类似的情形是在办公用复印机上进行复印放大。复印机吸入源文件，然后在一张新纸上复印出更大的文件。同理，放大器从电源提供的能量上产生一个输出信号，而不是对输入信号进行放大。
MOSFET正是这一“新的复印件”产生的地方。与复印机的投射透镜相似的是，MOSFET工作时的精度也取决于栅驱动级，而精确的栅控制是获得良好音频性能的关键。栅驱动电路必须具有很低的脉宽失真，并能在高端和低端栅驱动级之间实现良好的匹配，这两个电路在缩短死区时间、保证线性度方面，都是非常关键的元件。
过载保护
过载保护是一项既复杂又占用大量成本、时间和空间的功能。基于外接旁路电阻的电流检测电路被广泛用于负载电流检测。不过，这种类型的保护需要考虑多方面的因素，如旁路电阻的选择、噪声的滤波、以及对附加的开关噪声的调整，该噪声由功率级临界电流环路通道中附加的漏电感所引起。
在集成基本组件的IC中，过载保护是内置功能。MOSFET基于RDS(ON)的保护电路对输出电流进行监测，并在输出电流超过预定的阈值时关断PWM信号，这对于开关应用来说具有重要意义。为了利用新一代的、具有更高开关速度的MOSFET所带来的好处，不应当在关键功率电流通路上添加一些会降低其优点的元件。此外，MOSFET RDS(ON)很高的正温度系数可以让过流阈值的量值随着结温的升高而降低，从而增强了安全性。
结语
这些集成的音频IC消除了设计流程中的许多臆测成分，使得音频工程师们能将注意力集中在最终产品的功能特色上。图3所示为一种120W的D类放大器参考设计，给出了一种利用IRS2092 D类模块组件IC和IRF6645 DirectFET MOSFET进行设计的方法示例。它使用了一种自振荡的PWM方法，该方法可以实现高性能和简单的架构。相应得到的音频性能(见图4)可以与一个AB类放大器相当，而同时可保证更为紧凑的电路板结构，以及具有随着设计需求的变化而进行扩展的灵活性。■
图3 基于IRS2092集成D类“基本组件”IC和IRF6645 DirectFET MOSFET的 120W D类放大器设计
图4 效率 vs. 输出功率；4W单通道驱动，电源=±35V，1kHz音频信号