高效率音频功率放大器的设计

高效率音频功率放大器的设计
作者：谭本军
来源：《消费电子·理论版》2013年第07期
摘要：本文是基于高效率的音频功率放大器出发，从功放类型的选择，D类功放的构成、PWM调制原理及具体电路的设计等多方面进行了具体的设计分析，并具体制作，设计调试效果理想，是一款很理想的音频功率放大器。

关键词：高效率；音频；功率放大器；PWM调制
中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01
一、引言
音频功率放大器是指用于向扬声器提供功率的放大电路，是多级放大电路的最后一级。

要求具有较高的输出功率和较大的输出动态范围，衡量其性能好坏的主要指标有频率特性、时间特性、信号噪声比、最大输出动态范围、最大功率和效率，其中最大输出功率和效率主要由功率放大器实现。

传统的功率放大器主要有A（甲）类、B（乙）类、AB（甲乙）类和C（丙）类，一般的小信号放大都是甲类功放，其能量转换效率很低，理论效率最高才25%；乙类功放理想效率高达78.5%，但实际电路都要略加一点偏置，构成甲乙类，实际效率仅为50%左右；C类功放一般用在高频发射电路中，虽然效率可以更高，但电路复杂、音质更差，音频放大中一般都不采用。

在汽车功放、笔记本电脑、手机等小型便携式音响设备的音频系统和专业超大功率功放场合，以上类型的功放因效率偏低不能令人满意。

D（丁）类音频功率放大器是受高频脉宽调制（PWM）脉冲信号的控制，使其工作在开关状态，其理论效率为100%，实际可达80%～95%；其不足之处是易产生高频干扰及噪声，本文通过精心设计低通滤波器及合理选择元件参数，其音质效果完全能与A类线性功率放大器相比拟。

二、D类功放的构成
本文设计的D类功放由放大与增益控制电路、三角波发生器、比较器、开关放大电路和低通滤波器构成。

输入的音频信号先经增益可变的放大器放大，并变换成大小相同、相位相反的差分信号。

这两路信号分别与三角波发生器产生的三角波进行比较，比较器输出频率与三角波相同，但占空比与音频幅度对应的脉冲信号、音频信号的幅度与脉冲波的占空比成比例。

两路信号驱动桥式互补高速开关电路，并用LC低通滤波器将高频成分滤除，最后在负载上实现功率合成，恢复音频信号。

原理框图如图1所示。

三、基于三角波调制法的PWM调制原理
三角波调制法是建立在每个特定时间间隔能量等效于正弦波所包含能量的概念上发展起来的一种脉宽调制法。

为了得到接近于正弦波的脉宽调制波形，将正弦波的一个周期在时间上划成偶数N等份，每一等份的脉宽都是2π/N。

这样就可以分别计算出在各个时间间隔中正弦波所包含的面积。

在每一个时间间隔中，都可以用一个脉宽与之对应的正弦波所包含的面积相等或成比例，但其脉冲幅度都等于U△m的矩形波电压脉冲来代替相应的正弦波部分。

这样的N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。

假定正弦波的幅值为Um，等效矩形波的幅度为U△m，则各矩形脉冲波的宽度δi为：δi= = =
式中，i=1，2，3，…
βi是各时间间隔分段的中心角，也就是各等效脉冲的位置中心角。

从中表明，由能量等效法得出的等效脉冲宽度δi与分段中心角βi的正弦值成正比。

用三角波调制，设三角波的频率f与正弦波的频率f之比为N（载波比），为使输出波形为奇函数，N应为偶函数。

假定在正弦波大于三角波部分产生的脉冲中心位置在每一段脉冲的中心位置在每一段脉冲的中心位置，并以βi表示，则βi为：
上式说明，当在波比N固定，且N≥20时，在比较器输出端产生矩形脉冲，其宽度正比于正弦波和三角波幅度之比，也正比于段中心角βi的正弦值。

如图2所示。

四、各功能模块的设计
传统的PWM方案是采取两路输出脉冲相位相反的方式，无信号输入时，输出负载为扬声器。

不加滤波器时，零输入时的负载电流较大，导致负载上的损耗大，降低了放大器效率。

而本文设计的D类功放则是使每路输出电压仍从0V至VDD，无信号输入时，两路的输出电压同相，通过负载的电压近似为0V，此时负载电流极小，从而静态功耗很小。

（一）三角波发生器电路
音频信号范围是20Hz～20KHz，如果三角波频率选择较低，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。

频率较高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。

但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、射频的聚肤效应都会使整机效率下降。

过高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz。

同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真，故取三角波的频率为150KHz。

选用了双运放NE5532构成三角波发生电路，如图3所示。

U2A与R5组成施密特触发器，U2B与C组成积分电路。

施密特触发器实际上由一电压比较器组成，其产生的方波高电平电压为+，低电平电压为0，积分电路的输入为方波时，输出是一上升速率与下降速率相等的三角波。

对于图所示电路参数，有：
三角波输出幅度为：VOUT=VCCR2/R5=0.45V
三角波输出频率为：f=R5/（4R1R2C）=159KHz
（二）放大与增益控制电路
该电路将输入的单端音频信号转换为相位相反的双端信号，使用高精度低漂移的运放
TL062来实现，如图4所示。

（三）PWM控制器
PWM控制器对音频信号的调制，是以音频信号为基准信号，与频率为150KHz左右的三角波进行比较，得到占空比随音频幅度变化的脉冲信号。

为了使电路能在低电压功耗下工作，选用了LM393作为比较器，其正常工作电压可以低到2V，且功耗小，驱动能力强。

LM393的3、5脚为音频信号输入端，分别输入放大与增益控制电路输出的相位相反的音频信号。

输入音频信号电压为0时，输出占空比小于50%的脉冲波。

输入信号电压为正时，一路输出为占空比大于50%的脉冲波，另一路输出占空比小于50%的脉冲波；输入信号电压为负时，则相反。

PWM控制器在IN1输入为正时的输出脉冲波形如图5所示。

（四）高速开关H桥电路
由于工作在开关状态，输出管的功率损耗极低，效率可以达到很高。

对功放管的选择主要考虑开关响应和饱和压降，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。

电路如图6所示，经调制后的信号从IN1和IN2输入，T5～T8为前级驱动电路，选择9012、9013对管，其驱动电压较大，完全可以驱动VMOS管IRF9540及IRF540。

VMOS管的开关速率极高，开启电压高，抗干扰能力强。

该电路为桥式推挽输出，RL为8Ω的假负载。

当音频电压为正时，OUT1、OUT2对地输出波形和负载两端电压波形如图所示。

当音频信号为一正弦波时，其脉冲宽度随音频电压的增大而变宽。

当音频电压为负时，VOUT1占空比小于50%，VOUT2占空比大于50%，所以为一负脉冲波，其脉冲看度随负载音频电压绝对值的增大而变宽。

当音频电压为0时，VOUT1和VOUT2占空比均为50%，所以VRL=0，无电流通过。

（五）信号变换电路
电路要求增益为1，将双端变为单端输出，运放选用宽带运放NE5532，电路如图7所示，由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高，选R1 = R2 = R3 = R4 = 20KΩ。

其增益为Au = R3/R4 =1，其上限频率超过20KHz的指标要求。

还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。

该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。

实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。

如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。

参考文献：
[1]蔡明生.电子设计[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]黄继昌.数字集成电路应用300例[M].北京：人民邮电出版社，2001.
[3]陈国呈.PWM逆变技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2007.
[4]全国大学生电子设计竞赛组委会编.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2001.
[作者简介]谭本军（1974.12-），男，湖南人，张家界航空工业职业技术学院，学招团直属党支部书记兼学工部副部长，讲师，学士，研究方向：电子技术、高教管理。