数字功率放大电路工作原理与功率损耗实例分析.doc

数字功率放大电路工作原理与功率损耗实例分析 韩跃平，李瑞红，毕满清，王黎明 （中北大学电工电子国家示范实验中心，山西太原030051） 摘要：当前国内高校的“电子线路”课程无论是从教材编写还是课堂讲授中的功率放大电路仍然以模拟功放为主，对数字功放讲述甚少，而现实中电子产品尤其是笔记本电脑、手机等便携式电子产品大量采用了低功耗高集成度的数字开关门电路芯片，造成大学生课堂学习与电子技术发展实际的脱节。在此结合数字集成开关门（CMOS）电路的发展，详细分析了D类功率放大电路的工作原理；理想状态下，D类功率放大电路的理论效率可达到100%，远高于AB类模拟功率放大电路的78.5%。推导了D类功率放大电路CMOS反相器的功率损耗与芯片工作的时钟频率、栅极集总电容值以及芯片所需的供电电压的平方成正比，并以当前主流的集成度达8000万个门电路（2inch2上108个门）的IBM笔记本电脑的CPU芯片为实际案例进行了总功耗分析。实践表明，将数字功率放大电路引入大学生课堂教学，可以贴近实际，增强感性认识，提高课堂教学质量。 关键词：数字功率放大器；工作原理；功率损耗；实例分析 ：TN722?34：A：1004?373X（xx）20?0107?03 ：xx?05?25 基金项目：国家自然科学基金（61171178）；山西省自然科学基金(xx011010?3)；山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划资助 Instanceanalysisforworkingprincipleandpowerlossofdigitalpoweramplificationcircuit HANYueping，LIRuihong，BIManqing，WANGLiming （StateCenterofElectricalandElectronicDemonstrationExperiment，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China） Abstract：Whilethepoweramplificationcircuitof“electroniccircuit”courseintheaspectsoftextbookpilationorclassroomteachingisstilltakinganalogcircuitasthemaincontentincolleges，andthedigitalpoweramplificationcircuitisde?scribedextremelyless，thedigitalswitchinggatecircuitwithlowpowerconsumptionandhighintegrationisadoptedmassivelyinelectronicproducts(especiallyinlaptopsandmobilephones)inreality，whichseparatesclassroomlearningofstudentsfromdevelopmentofelectronictechnology.InbinationwiththedevelopmentofCMOScircuit，theworkingprincipleofD?classpoweramplificationcircuitisanalyzedindetail.ThetheoreticalefficiencyofD?classpoweramplificationcircuitcanreach100%inidealcondition，andishigherthanAB?classanalogpoweramplificationcircuitof78.5%.ThepowerlossofCMOSinverterofD?classpoweramplificationcircuitisproportionaltotheworkingclockfrequency，gridlumpedcapacitanceandsquareofthepowersupplyvoltage，whichisdeducedinthispaper.ThetotalpowerconsumptionisanalyzedbytakingthemainstreamCPUchipofIBMnotebookputerasthepracticalinstance，thechipisintegratedwith80milliongatecircuits.Thepracticalre?sultsshowthatdigitalpoweramplificationcircuitintroducedintothecollegestudentsclassroomteachingcanclosetolifereali?ty，enhanceperceptualknowledge，andimproveclassroomteachingquality. Keywords：digitalpoweramplifier；workingprinciple；powerloss；instanceanalysis 0引言 进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子产品的一种重要发展趋势，诸如作为通信工具的手机，作为娱乐设备的MP3播放器，工作必备的手提笔记本，以及期望中的便携式电视机与DVD，车载电器等，极大地提升了人们的生活质量。便携式电子产品的一个重要发展特征是采用了低功耗高集成度的数字开关门电路芯片，以IBM的CPU集成芯片为例，目前集成度达到8000万个门电路（2inch2上108个门）。所有这些便携式电子产品的一个共同点就是都需要大功率的音频输出，都需要电池供电。目前，上述便携式电子产品大多采用了新型D类功率放大电路，其最大特点就是能够在保持最低的失真情况下得到高的效率1?3。同时，诸如CPU运算速度仍然缓慢、采用锂电池供电的大屏幕手机待机时间过短等缺点也非常明显。因此，制约便携式电子产品发展的一个首要因素就是其输出功率损耗与使用的电池技术，并直接与人们关注的芯片工作主频（时钟频率）、待机时间（取决于静态功率损耗）与使用时间（取决于动态功率损耗）几个指标相关。 鉴于目前国内“电子技术”高校课堂教学仍然以低频段介绍A类、B类及AB类模拟功率放大电路4?10、高频段介绍C类为主，事实上已经远远滞后于电子技术的发展实际，可检索到的D类功率放大电路文献则主要讨论应用于具体产品中的实际电路11?13，无论对高校师生还是工程技术人员，都缺乏对D类功放基本原理直接学习的渠道。本文以单个数字开关门电路为例，详细分析D类功率放大电路工作原理与总功率损耗，为高校师生全面掌握集成门电路芯片的技术发展提供一定的基础理论参考。 1单个NMOS管门电路 1.1门电路组成 （1）电路组成 20世纪80年代以前，受限于P沟道MOS管工艺限制等因素，集成芯片内部的开关门电路仍是由单个NMOS管构成。NMOS管的开关特性与晶体三极管类似但远优于三极管。反相器的基本电路如图1所示。C等效为NMOS门驱动的同类负载门电路的栅极电容集总。 1.2工作原理 工作于开关状态的NMOS门电路输入信号ui是周期为T的方波时钟信号，T1时间为低电平，T2时间为高电平，T1=T2=T2。输入信号波形如图2所示。 1.3单管门电路功耗与效率分析 1.3.1低电平T1期间电源提供的能量 图3输入低电平期间工作过程T1期间，电阻消耗能量，电容储存能量。其中，电源提供的总能量为： 1.3.3电源提供的总功率 其中：式（7）代表了在一个时钟周期内，电源提供的静态功率（待机功率）损耗；式（8）代表了电路的动态功率（使用功率）损耗。两分量分别决定了人们在日常使用手机等手提设备中所说的待机时间与使用时间。 1.3.4效率分析 可见，动态使用功率尚在接受范围内，但静态功率达到了不可思议值。即使把门电路的电源从5V降低为1V，仍然具有25kW。要想从根本上降低静态功率损耗，需要大大增加RD，但实际电路中RD的增加也受到一定制约，这就需要找到一个能替代RD作用的有效元器件。20世纪80年代，随着各种相关技术的成熟，CMOS反相器门电路应需而生。 2CMOS反相器门电路 3CMOS反相器门电路功耗分析 CMOS门电路输入信号ui仍然是图2所示的周期为 T的方波信号，C等效为驱动的CMOS负载门电路的栅极电容集总。 （3）电源提供的总功率与效率分析。由上述分析可得，在理想情况下，功率器件VTP导通时导通电阻为零，没有电压降，器件不消耗功率，输出电压幅度几乎与电源电压VDD值相同；关断时VTP电阻为无穷大，没有电流流过，器件也不消耗功率，输出电压几乎为零。CMOS反相器无论电路处于何种状态，VTN，VTP中总有一个是截止的，所以它的静态功耗很低，理论上静态功率损耗为0。电源在整个周期T内提供的总功率为CV2DDf，理论上开关类功率放大器能够将电源功率无损耗地转换输出到负载上，全部转变为负载的动态使用功率。所以这类功率放大电路的效率理论上可达到100%。 4结语 本文从集成数字门电路芯片内部的单个数字门为例，详述了D类功率放大电路的工作原理与效率，理论上，D类功率放大电路的效率可达到100%，远高于AB类模拟功率放大电路的78.5%。然而，在实际使用中，半导体元器件均有漏电流存在，故开关器件VTP与VTN实际上总要消耗部分功率。此外，可得出： （1）为了降低电子设备的功率损耗，提高电池供电的使用时间，芯片所需的电压值至关重要，功率损耗随着电源电压VDD的降低成平方倍减小。 （2）为了提高电子设备的快速响应时间，比如笔记本电脑的CPU主频，电源（电池）的功率损耗随着时钟频率f的增加而线性增加。 参考文献 1杨滔，王武斌，吕征宇.开关功率放大器交错并联控制技术的研究J.电力电子技术，xx，43（4）：24?25. 2陈新国，程耕国.D类功放输出功率与效率的分析J.声学技术，xx，24（4）：264?267. 3黄伟，马成炎，叶甜春.高性能10WD类音频功率放大器设计J.华中科技大学学报：自然科学版，xx，38（4）：26?30. 4毕满清，王黎明，高文华，等.模拟电子技术基础M.北京：电子工业出版社，xx. 5童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.3版.北京：高等教育出版社，xx. 6康华光.电子技术基础模拟部分M.3版.北京：高等教育出版社，1999. 7BOYLESTADRobertL.模拟电子技术M.李立华，译.北京：电子工业出版社，xx. 8杨素行.模拟电子技术基础简明教程M.北京：高等教育出版社，xx. 9朱定华.模拟电子技术M.北京：清华大学出版社，xx