D类音频放大器的输出低通滤波器设计

D 类音频放大器的输出低通滤波器设计 2011 08 10 13 15 03 分类 默认分类 标签 数字 音频 字号 订阅 在便携式及小型化消费类产品中 D 类音频功率放大器的应用已非常普遍 本文 介绍了 D 类音频放大器的输出低通滤波器的设计原理 给出了滤波器中电感和电 容值的计算方法和选择时的考虑因素 本文还以美国国家半导体的 D 类音频放 大器 LM4668 和 LM4680 为例 描述了具体的输出滤波器的设计方法 并介绍了 即将推出的 LM4681 的电路框图和特性 一直以来 电子系统中的音频信号都是用模拟电信号来表示的 尽管数 字处理和数字放大技术在当今的系统中已经得到了运用 但是音频 声音信号还是 必须转换回模拟信号 以满足人的听觉系统收听音乐的需要 图 1 单片 D 类音频放大器的组成 目前 在大多数便携式及小型化消费类产品 如 MP3 便携式 DVD 和平 板显示器等中 开关模式 D 类 音频功率放大器的应用已很普遍 由于 D 类放大 器的功耗较低 因此能够实现较高的效率 它延长了便携式设备的电池使用寿命 并能够减小散热器的尺寸和 PCB 的面积 从而节省了系统成本 所以 许多大型 平板显示器和消费类音频产品都更愿意采用此类放大器 不过 D 类放大器基于使用高开关频率信号的数字调制技术 旨在实现信 号的高效放大 调制频率通常高达数百 kHz 这远远超出了音频范围 由于我们需要从数字化或调制信号来恢复所需的真实音频信号 音乐 因而必需采用一个输出低通滤波器来滤除高频分量 以再生与人类听觉系统相匹 配的真实模拟信号 这里 我们将阐述一些有关输出低通滤波设计的考虑因素和建议 图 2 BTL 半电路模型 D 类放大器 单片式 D 类音频放大器包括模拟音频输入 调制器 功 率晶体管等 见图 1 输出滤波器设计 由于我们需要恢复所需的音频信号 因此重要的是设 计出一款优秀的输出低通滤波器 以滤除高频分量 无用信号 并获得高品质的模 拟声音 我们必须设计具有特定电抗性输出阻抗的输出滤波器 以便与负载阻抗 相匹配 BTL 半边电路模型如图 2 所示 D 类放大器的输出滤波器通常是一个二阶 LC 型 Butterworth 巴特沃 斯 滤波器 这是因为巴特沃斯滤波器能够提供相对平坦的通带频率响应 而且 所需的元件数量很少 这里给出一幅参考曲线图 用于显示巴特沃斯 Bessel 贝塞尔 和 chebyshev 切比雪夫 型滤波器的 LPF 响应 图 3 电感和电容值的计算 二阶 Butterworth 滤波器的通用转移函数为 用 来替代电感和电容 代入 S 域 转移函数变成 用来简化这些方程 得出 图 3 巴特沃斯 贝塞尔 切比雪夫型滤波器的低通滤波响应的比较 对于一个实际的 BTL 电路 输出滤波器如图 4 所示 推导出的 BTL 滤波器方程为 LC 滤波器的 3dB 截止频率为 根据上面的方程 表 1 列出了对应于特定 fc 和 RL 的电感 L 值和电容 C 值 电感的选择 在输出滤波器中 电感是关键元件 它与 D 类音频功率放 大器系统的直流电阻和额定峰值电流规格有关 直流电阻反映了总输出功率的 效率 系统的效率可由下式来估算 式中 RL 是扬声器的直流电阻 RDSON 是 D 类放大器内部的输出驱 动器的晶体管导通电阻 RIND 是电感的直流电阻 图 4 实际的 BTL 电路输出滤波器 除了选择合适的电感值以获得某一特定的截止频率之外 输出电感的最 大直流电阻是影响总体效率的另一个关键参数 因此 强烈建议采用直流电阻较 低的电感 对于电感而言 另一个必须考虑的重要参数是其最大额定电流 如果电 感的额定电流不足以维持器件的输出电流 则电感将起短路的作用 这将使器件 或扬声器受到大电流的伤害 图 5 LM4680 的应用框图 LC 输出滤波器的取值确定 最后值得一提的是 为了降低失真 EMI 和串扰 建议采用屏蔽式电感 例如 壶形铁芯电感 壶形铁芯以其卓越的屏蔽性能而著称 这是因为除了用于穿越导线的两 个窄槽之外 电感线圈被磁芯完全包围 电容的选择 在评价高频片式电容的过程中 最重要的参数之一便是 Q 品质因 数 或者相关的等效串联电阻 ESR 简单地说 ESR 就是给定频率条件下电容中的所有串联和并联损耗的衡 量尺度 从理论上讲 理想 电容的 ESR 将为 0 并且是纯电抗性的 没有实部 阻性 分量 流经电容的电流在所有的频率上都将恰好超前电容两端的电压达 90 但是现实中 电容总会呈现出一定程度的 ESR 7503HY 270M 电感的封装尺寸 品质因数 Q 是一个无量纲值 它等于电容的电抗与电容的寄生电阻 ESR 两者相除所得的商 由于电抗和电阻均会随频率而改变 因此 Q 值将随频率的改变而发生巨 大的变化 电容的电抗会随着频率或电容值的变化而出现极大的波动 因此会造 成 Q 发生显著的变化 金属薄膜电容能够保持较高的温度 频率和电压稳定性 在常见的音 频系统中 强烈建议以金属薄膜电容来替代陶瓷电容 与此同时 在使用电容时 另一个被称为 额定电压 的参数也是必须加以考虑的 以确保电容在其有效使用 期内无故障预期 额定电压 电容的额定电压由下式计算 为了从放大器获得更加优良的输出信号和总体性能 输出滤波设计毫无 疑问是一个至关重要的因素 不过 电源滤波也会是一个值得关注的重要问题 D 类放大器中的电源滤波有 2 个目的 1 使 D 类放大器与电源噪声隔离 2 对高频噪声进行旁路处理 在 D 类放大器设备中 至少包含两组电 源 即模拟输入及控制 AVDD 和输出晶体管驱动 PVDD 图 7 LM4681 内部电路框图 为了实现去耦电容 我们必须考虑峰值开关电流 以获得一个最小电容 针对 峰值开关电流的最小有效电容可由下式计算 式中 为周期 DMAX 为最大占空比 VRIPPLE 为纹波电压 ESR 在大多数场合中都会引起纹波电压 由 ESR 和 IPEAK 产生的最 大 VRIPPLE 为 由上式我们注意到 ESR 将会对电容器的有效电容产生影响 建议并 联两个或更多的电容 以减小针对不同频率范围的 ESR 通常采用两种不同类型 的电容 一般是把具有较高电容值的电解电容或钽电容用于低频滤波器 小于 10kHz 而将一个并联的小容值陶瓷电容用于高频滤波 300kHz 对于 D 类音频放大器 美国国家半导体 推出了 10W 单声道 D 类产品 LM4668 和 LM4680 这些产品只需要少量外部元件 为工程师带来了音频产品 的简易而完善的解决方案 LM4668 和 LM4680 采用平衡 浮动调制器设计来 免除衬底噪声 平衡调制器的 PWM 输出用于驱动 LM4668 或 LM4680 的 H 桥 配置输出功率 MOSFET 的栅极 脉冲序列将被加至一个输出 LC 滤波器 以消 除不需要的高频信号 LM4668 和 LM4680 的调制器的标称开关频率约为 450kHz 下面给出的是 LM4680 的应用框图 见图 5 其 LC 输出滤波器的取值 已确定 表 2 推导出的元件与截止频率 Fc 的关系式为 滤波器的两个电感的数值等于 三个电容的数值均等于 建议把具有上述特定参数值的二阶 LC 输出滤波器用于 LM4680 的输 出滤波 对于一个 8 负载 可以获得 47kHz 的标称截止频率 它确保 20kHz 时 的衰减远小于 3dB 表 1 表中列出了对应于特定 fc 和 RL 的电感值和电容值 关于电感的建议 当把负载驱动至最大功耗时 输出滤波器电感必须具有一个高于放大器 的最大输出电流的最大额定电流 所以 当向 8 负载输送 10W 输出功率时 最 大输出电流可能在 1 1A RMS 左右 因此电感的额定电流至少应为 1 2A RMS 以防止电感发生任何的饱和现象 建议采用屏蔽式电感器 以便更好地抑制 EMI 例如 TOKO A7503HY 270M 电感 见图 6 LM4668 和 LM4680 可在各类应用中使用 包括 LCD 显示器 电视 电脑声卡 多媒体扬声器和广播系统等 这两款器件均能够向 8 负载提供 6W BTL 输出功率 0 2 THD 也可向 8 负载输送 10W 输出功率 小于 10 THD LM4668 和 LM4680 提供了短路保护 热保护 过调制保护等功能 因此 它们是在您的系统中实现高品质和高稳定性 D 类音频放大器的理想器件 LM4668 提供 TSSOP 20 和 LLP 14 封装 LM4680 提供 LLP 14 封装 表 2 LM4680 的 LC 输出滤波器的取值 基于相同 D 类算法的 BTL 输出 10W D 类立体声器件 LM4681 即将面市 除了可驱动 8 负载的 10W 立体 声通道之外 LM4681 还提供了立体声耳机驱动器以及用于停机和 32 级音量控 制的 I2C SPI 可选控制接口 它拥有面向众多应用的丰富功能 LM4681 的内 部电路框图如图 7 所示 由于 I2C 和 SPI 控制接口在不同类型的系统中均得到了十分广泛的运 用 因此 它将为工程师在系统硬件上进行设计提供了便利 并能够以较少的外部 元件来构建系统 LM4681 能够向 8 负载输送每通道 10W 的输出功率 小于 10 THD 也可向 32 耳机提供每通道 80mW 的输出功率 0 5 THD 当 驱动扬声器时 音量控制范