术语和定义

参考文献

有关文件及软件，请浏览:

https://www.dialog-seminile.com/configurable-mixed-signal.

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6. 简单的自振荡D类放大器全输出滤波器控制Bruno Putzeys, 2010年5月
7. D类放大的通用语法由Bruno Putzeys, Hypex Electronics，荷兰，2007年5月

作者：Nazar Sliunchenko

介绍

本应用笔记介绍如何使用高压GreenPak IC设计简单的D类功率放大器。

D类放大器通过从连续控制信号中导出两个状态信号并使用电源开关来放大器。在每个D类的核心，放大器是至少一个比较器和一个开关功率级。除了最低成本的功率放大器中，添加了无源LC滤波器。

以下是d类放大器与传统ab类放大器的优缺点总结。

• AB.

  好处：高保真度的最低失真 - 总谐波畸变加上噪声（THD + N）小于0.1％。

  缺点：低效 - 最大可能效率约为60％。高功耗和显着的发热。它的尺寸也更大。

• 类D

  优点：高效率高于90％。少功耗和较低的发热。尺寸较小。小包装中非常高的功率电位（400至500 W）。

  缺点：高频噪声生成。

最基本的拓扑利用具有三角波（或锯齿）振荡器的脉冲宽度调制（PWM）。图1给出了一种基于pwm的半桥D类放大器的简化框图。它由一个脉宽调制器、两个输出mosfet和一个外部低通滤波器(L_F和C_F)以恢复放大的音频信号。如图所示，两个mosfet通过交替地将输出节点连接到V来作为电流转向开关_DD.因此，D类放大器输出的是高频方波。输出方波由输入音频信号脉宽调制。PWM是通过将输入音频信号与内部产生的三角波(或锯齿)振荡器进行比较来实现的。方波的占空比与输入信号的电平成正比。无输入信号时，输出波形占空比为50%。图2.说明了由于输入信号电平的变化而产生的PWM输出波形。

这种基本拓扑有几个缺点:非常低的电源抑制比和高THD。输出信号的质量高度依赖于三角波的线性和稳定性，这大大增加了电路的复杂性。

D类音频放大器最常用的拓扑结构之一是自振荡。自振荡D类音频放大器的特点是具有与开关频率相等的开环带宽，而传统的PWM放大器的环路带宽通常限制在开关频率的十分之一。这种增加的环路带宽提供了有价值的环路增益在低频，这是有利于减少总谐波失真(THD)。

有几种方式设计自振荡的D类POWER放大器，例如：

• 磁滞切换，见图3。

  该电路的明显缺点是作为电源电压的函数的开关频率的可变性。次要修改是使用切换波形本身作为滞后反馈。沿着这些线构造的放大器通常产生相当可观的性能，占这种布置的普及。这里最重要的问题是产生的最小脉冲宽度仅为空转脉冲宽度的一半。操作频率与调制索引相当强烈摇摆，在抛物线之后，其最大在零调制下并在最大调制下击中零点。结果是靠近剪切的调制，因为开关频率遍历音频频带。在这方面，可以识别输出的示波器图（图4）（预测）的示波器图（图4）。

  
  图3:迟滞切换拓扑
  
  图4:迟滞开关放大器输出信号

• 相移控制振荡。

  
  图5:相移控制振荡拓扑
  
  图6:相移控制振荡放大器输出信号

  一种不利用迟滞来获得自振荡的方法是利用反馈网络的相移来产生稳定的自振荡。放大器将在反馈网络具有180度相移的频率处振荡。这种方法的一个相当令人高兴的特点是，与迟滞调制器相比，可以使开关频率更加稳定。理论上，最大调制时的最小脉冲宽度为零(实际上大约是有源电子的传播延迟的两倍)。在这个过程中，开关频率仍然会降至零，但只是在很晚的时候，那时载波中的能量将会少得多。经过二阶滤波器重构后，残差的振幅几乎保持恒定。即使在仔细倾听的条件下，剪辑行为听起来与一个好的线性放大器的难以区分。

  相位控制的值得注意的缺点是该调制本质上是非线性的，在大调制指标下增加失真。

  然而，这种拓扑提供了适用于大多数应用的简单低成本解决方案。亚博国际官网平台网址对于HV PAK设计，请参阅第4.1节和第4.2节。

• 使用重建滤波器的相移控制。

  重构滤波器的相移通常被视为一种负担，很少被视为优点。二阶滤波器对于建立相移控制放大器是非常有趣的。有人提醒说，开关频率设置得远远超过滤波器的角频率。在任何足够高的频率，二阶低通滤波器产生接近180度的相移。变化的负载条件只会对其产生几度的影响。

  虽然，关闭这种滤波器周围的负反馈环路是不够的。振荡发生在恰好180度的相移（另一个180度由极性反转提供），这只发生在无穷大。额外的网络是按顺序保持相移远离所需开关频率以下180度的相移，另一个将其推高于该频率之上的另一个。任何实用的电路都将免费使用后者。比较器和功率级的组合传播延迟构成与频率成比例的相移。前者可以像反馈路径中的相位引导网络一样简单。

  
  图7：使用重建滤波器拓扑的相移控制

  由于在任何有用的振荡频率下，输出滤波器的相移为180度，因此在传播延迟和相位引线抵消的频率下会发生振荡。应注意确保在任何现实的负载条件下，没有180度相移的第二点，因为这一点肯定是物理谐振频率滤波器。由于第一次使用无负载延迟，通常会导致放大器的撤消导致放大器的撤消。见图8。

  
  其中H._通滤波器是LC滤波器的传递功能和H._FBN.反馈网络延迟的那个表示传播延迟的线性相移函数。
  图8：相移
  使用重构滤波器拓扑的相移控制比前面描述的拓扑有很大的优势。负反馈环路包含重构滤波器，这允许完全补偿任何非线性。使用这种拓扑结构设计的放大器能够产生极低的THD+N，可以与AB类相比，同时具有D类的所有优势。

  请注意，此应用笔记中不考虑此拓扑。这是未来项目的主题。

设计操作

简单的相移控制振荡放大器

使用HV PAK构建一个简单的相移控制振荡放大器需要至少两个宏单元:ACMP和HV OUT CTRL。图10显示了此类设备的GreenPAK Designer项目。这种放大器提供了一个简单的解决方案，需要更少的外部组件，这意味着更少的PCB表面。可以看出，本项目只使用了一座高压桥(单线)。另一个可以用作第二个通道(立体声)或驱动电机或螺线管，例如，在对讲机设备中锁/开门。此外，本设计还具有PIN 2上的使能功能，PIN 2是active LOW。这个原理图有一个相对较高的振荡频率，接近680khz，但在这种情况下，它是一个优势。频率越高，输出滤波器L1、L2、C4越小。图9显示了测试PCB及其尺寸。如果需要，可以通过增加电容C2来降低频率。

放大器具有以下特征：

• 电源电压 - 3.5 V至5 V
• 电流消耗（无输入信号） - 3.2 mA
• 待机电流(使能-低)- 0.82 mA
• 输出功率(电源- 5V，负载- 4欧姆)- 3w(最大)
• 增益 - 20 dB
• 输入电阻 - 5.6 kohm

此外，如前所述，该设计还可以选择通过高压OUT CTRL1桥驱动电机、螺线管、继电器或类似设备。在这种情况下，它被配置为两个独立的半桥，可以单独控制。pin20控制输出到pin9的半桥，pin17控制输出到pin10的半桥。PIN 14用于使能桥接(主动高)。

宏小区配置

特性	PIN 2.	销14,17和20	销7,8,9和10	PIN 3和19
I / O选择	数字输入	数字输入	数字输出	模拟输入/输出
输入模式OE = 0	与施密特触发器有数字	数字在没有施密特触发器	没有一个	模拟输入/输出
输出模式OE = 1	没有一个	没有一个	高低侧	模拟输入/输出
电阻器	拉起	拉下	--	浮动
电阻值	1M	1M	--	浮动

三机一体	IN0	2位LUT0
0.	0.	0.
0.	1	0.
1	0.	0.
1	1	1

特性	ACMP0H.
滞后	禁用
在+收益	禁用
连接
在+来源	PIN 19（GPIO5）
在来源中	ext。VREF（PIN 3（GPI））

特性	高压出CTRL0	高压出CTRL1
转换速率	快速用于预驱动程序模式	快速用于预驱动程序模式
高压输出方式	全桥	半桥
模式控制	PH-EN.	in-in.
热关机	使能够	没有一个
OCP Deglitch时间启用	没有达到的时间	没有达到的时间
OCP0重试的控制延迟	延迟492美国	延迟492美国
OCP1重试的控制延迟	延迟492美国	延迟492美国
VDD2A UVLO	可爱的	可爱的

相移控制振荡放大器，无输出滤波器

从之前的设计中可以看出，尽管外部元件数量少，HV PAK封装尺寸小，但该器件占据了相当大的PCB面积。虽然可以将电阻和电容的尺寸减小到0201(而不是0805)，除了R5，但由于大电流，不可能使用较小的电感L1和L2。下一个设计可以解决这个问题。

在传统的全桥级D放大器设计中，高频和低频信号都是在桥输出上反转的。因此，输出滤波器防止负载分流高频信号。

如图11所示的设计提供了一种解决方案，其中输出（引脚7和引脚8）上的高频信号是同相的，因此电流不会通过负载运行。同时，这些引脚上的音频信号将相对于彼此反转。

与前一个设计相比，该设计使用更多外部组件，但没有两个电感器导致较小的PCB占地面积，参见图12。

该设备与前一章中描述的放大器相同的方式工作，但HV输出配置为两个单独的半桥。这允许独立地控制两个输出。对于每个半桥使用两个ACMP，构建了两个相同的振荡器，由电容器C3同步。这导致两个输出上相同的（同相）方波电压。这意味着输出引脚可以短路，没有高频电流会泄漏。

同时，将音频信号引入两个ACMP的相反输入。这导致输出信号被调制反相。因此，只有低频电流将流过负载，从而消除了输出滤波器的需要。

放大器具有以下特征：

• 电源电压 - 3.5 V至5 V
• 电流消耗(无输入信号)- 2.1 mA
• 待机电流(使能-低)- 0.82 mA
• 输出功率(电源- 5V，负载- 4欧姆)- 3w(最大)
• 增益 - 20 dB
• 输入电阻- 2khm

宏小区配置

特性	PIN 2.	销14.	销7,8,9和10	PIN 3 17 19和20
I / O选择	数字输入	数字输入	数字输出	模拟输入/输出
输入模式OE = 0	与施密特触发器有数字	数字在没有施密特触发器	没有一个	模拟输入/输出
输出模式OE = 1	没有一个	没有一个	高低侧	模拟输入/输出
电阻器	拉起	拉下	--	浮动
电阻值	1M	1M	--	浮动

2位lut0	2位lut1
逆变器	逆变器

特性	ACMP0H.	ACMP1H.
滞后	禁用	禁用
在+收益	禁用	禁用
连接
在+来源	PIN 19（GPIO5）	销20（GPIO6）
在来源中	ext。VREF（PIN 3（GPI））	ext。VREF（引脚17（GPIO4））

特性	高压出CTRL0	高压出CTRL1
转换速率	快速用于预驱动程序模式	电机驱动慢
高压输出方式	半桥	全桥
模式控制	in-in.	PH-EN.
热关机	使能够	没有一个
OCP Deglitch时间启用	没有达到的时间	没有达到的时间
OCP0重试的控制延迟	延迟492美国	延迟492美国
OCP1重试的控制延迟	延迟492美国	延迟492美国
VDD2A UVLO	可爱的	可爱的

结论

可以看出，使用高压GreenPak IC构建简单的低成本等级放大器非常容易。本文档中显示的两个设计是可以基于SLG47105构建的最简单版本的。它们并非旨在成为高保真装备的一部分，但是可以在便携式音频设备，对讲机，门铃等中使用.4.1中描述的放大器可以修改到立体声放大器，或剩余的全桥（或两个半桥）可用于驱动任何高电流负载，例如DC电机，电磁阀，继电器，高功率LED等。最后一个语句也是如此对于第4.2节中描述的放大器也是如此。