D类音频放大器的输出低通滤波器设计

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D类音频放大器的输出低通滤波器设计


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0Ω，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。

图6：TOKO(A7503HY-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8Ω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8Ω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8Ω负载提供6W BTL输出功率(0.2% THD)，也可向8Ω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8Ω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8Ω负载输送每通道10W的输出功率(小于10% THD)，也可向32Ω耳机提供每通道80mW的输出功率(＜0.5% THD)。当驱动扬声器时，音量控制范围为+30dB至-48dB；当驱动耳机时，音量控制范围为+13dB至-65dB。该器件提供LLP-48封装。
本文小结 在这个数字化世界里，许多系统和产品都已经数字化了，D类放大器就是基于这种原理的常用音频放大技术。它能够提供较高的效率，因而适合于实现更加纤巧的外观设计并节省更多的功率。在这一最新的电子产品领域，美国国家半导体的D类音频放大器能够完美地为众多应用中的系统提供高品质和高稳定性。