类功放电路介绍入门

传统的音频功率放大器有a类、ab类、b类、c类等几种，其功率放大器件（电子管、晶体管、场效应管、集成电路等）均工作于线性放大区域，属线性放大器，其效率普遍不高，通常ab类放大器的效率不会超过60%。采用d类开关放大电路可明显提高功放的效率。d 类功放将音频信号转变为宽度随信号幅度变化的高频脉冲，控制功率管以相应的频率饱和导通或截止，功率管输出的信号经低通滤波器驱动扬声器发声。因功率管大部分时间处于饱和导通和截止状态，功率损耗很小，其效率可达90%以上。典型的d 类功放可提供200w 输出，效率达94%，谐波失真在1%~2.8%。d类功放保真度不如线性放大器，但在很多场合已能满足要求，例如汽车音响系统只要求低功率输出时失真小于2%，满功率输出时小于5%，而且经过改进d类功放的性能还将有所提高。另外，d类功放不存在交越失真。d类开关放大器的概念源于50年前，但因其工作频率至少应为音频信号上限频率（20khz）的4~5倍，早期采用电子管、晶体管的电路在功率、效率等方面还不能充分体现其优越性。20 世纪80 年代出现了开关速度和导通损耗满足要求的mosfet近年来又出现了集成前置驱动电

路，如harris公司的hip4080,从而推动了d类功放的实用发展。d类功放所用的mosfet为n沟道型，因为n型沟道mosfet的导通损耗仅为相应规格的p沟道mosfet的1/3。d类开关放大器由积分器、占空比调制器、开关驱动电路及输出滤波器组成，图1（a）所示的电路为采用半桥驱动的d类功放，它采用了固定频率的占空比调制器，功率管输出的方波信号与音频信号混合作为负反馈信号送入积分器。积分器兼有滤波作用，输出修正信号送占空比调制器，占空比调制器由比较器和三角波发生器组成［图1（b）］，用修正信号对三角波进行调制产生调制输出，推动功率管工作。负反馈应取自低通滤波器之前，否则因滤波后的信号与输入的信号有相位差（二阶滤波器可能引起180°的相位差），可能引

起电路自激，需采用复杂的相位补偿电路

比较審的曲入

驱动功率管的调制信号为占

空比随音频输入信号变化的方波，半桥驱动电路以相反的相位驱动两个功率

管，一个导通时另一个截止。采用方波驱动是为了使mosfet尽可能地改变工作

状态，减少其处于线性放大区的时间，从而减少热损耗，提高效率。该电路的效率主要取决于功率管的开关损耗和导通损耗。输出滤波器将方波转变为放大的音频信号，推动扬声器发声。图2为全桥驱动d类功放的原理简图。全桥驱动电路中负载上的电压峰峰值两倍于电源电压，因而可用单电源代替半桥驱动电路中的双电源供电。全桥驱动与半桥驱动电路工作原理相似，但采用了四个

mosfet反馈网络中的滤波电路也有所不同，该电路中负载采用浮动接法，需要两个低通滤波器来消除载波。四个功率管两两成对工作，为防止短路，驱动电路在关断一对功率管后过一段时间才开启另一对功率管。全桥中的功率管只

需承受半桥中一半的电压，其导通损耗比半桥电路要小，这是因为mosfet导通

时的漏源电阻rds(on)与漏源电压bvdss 不成线性关系，串联的两个 mosfet 总的

rds(on)比bvdss 增加一倍时单管的rds(on)/小

壬2 =严:土:「n ；巴 图2 全桥驱动 d 类功放

电路简图功率管的选择需要考虑以下几点：峰值工作电压、工作电流、开关速 度、开关损耗、导通损耗。峰值工作电压和电流决定了 mosfet 的规格，开关损 耗、导通损耗及输出滤波损耗决定了输出级的效率。计算公式如下

例如，要在8®负载上获得100w 输出，vp 为40v , ip 为5a ，考虑到工作电 压应留

25%的裕量，相应的mosfet 规格为50v/5a 。选择内部包含一个具有较短 反向恢复时间的二极管的 mosfet 可减小开关损耗，目前较快的反向恢复时间约 100ns 。较低的工作频率、较小的栅一源电容及较高驱动能力的驱动电路都有 助于减小开关损耗。工作频率过低会使输出滤波器的设计变得困难，过高又会 导致开关损耗增加并产生射频干扰及电磁干扰，因此选择工作频率时需要综合 考虑。解决了开关损耗问题之后，d 类开关放大器的效率主要取决于功率管的 导通损耗，换言之，选用 rds(on)较小的mosfet 可提高放大器的效率。例如， mosfet 的rds(on)为200m ®，放大器效率比理想状态下降

5%，公式如下

宀' " S n =2xrds(on)/zl=0.4/8=0.05式中因子2对应于全桥

举

TH

Vp(J g H EJI Dis

H1P4080A 二＞_

Hi 、i | 1 w ：

—— 滤波器

业潦检灣皑阻

反读网端

驱动电路。同样，当rds(on)为80m w 时，效率损失只有2%，也就是说效率取 决于器件的制造工艺。图3所示为图2中反馈网络的电路，功率管输出信号经 iclc 处理成为反馈信号，其幅值约为输出信号的 1/11。音频输入信号经缓冲放 大器iclb 放大，与反馈信号一同送至积分器 icla ,经处理产生修正信号送图3 中驱动ic 的比较器反相输入端，从而产生调制输出。图

3中还有另一路反馈取

自电流采样电阻，驱动ic 据此对mosfet 作过流保护。

圉3全祈g 区动D 类功敕反愦网络电路 聞

图3 全

桥驱动d 类功放反馈网络电路该放大器的输出采用了两个巴特沃斯滤波器为 负载提供音频驱动电流，巴特沃斯滤波器保证了全频段内的平滑频响，可使放 大器具有良好的动态响应。图 4中四结巴特沃斯滤波器的截止频率为 30khz , 对250khz 载波的衰减为74db ,增加阶数或降低截止频率可更有效地消除载 波。巴特沃斯滤波器工作时要求负载为恒定值，而扬声器在高频下将处于失控 状态，因此扬声器两端并联了 rc 滤波网络补偿，以保证高频时电路的稳定。

样正佶性(加怕至

HIP40R 讥的It 较器)