原创 170W、D类音频功率放大器LM4651/LM4652

170W、D类音频功率放大器LM4651/LM4652 摘要：LM4651/LM4652是美国国家半导体公司推出的新型集成电路芯片，利用LM4651驱动器与LM4652功率MOSFET两片IC可直接组成高效D类超低音功率放大器。文中介绍了LM4651/LM4652的特点、功能的原理，并重点介绍了由LM4651/LM4652组成的典型应用电路。 关键词：超低音 D类功率放大器 LM4651/LM4652 利用美国国家半导体公司（NSC）推出的LM4651/LM4652 Overture TM最新IC和很少的外部元件，即可组成170W高效D类音频功率放大器。LM4651的PWM驱动器与LM4652半桥（H-bridge）功率MOSFET IC所构成的这种简单紧凑的D类超低音（Subwoofer）放大器完全解决了通常仅在AB类放大器中才能看到的保护问题，但效率比AB类放大器有较大提高，而散热器尺寸则比功率电平相同的AB类放大器有所减小，LM4651与LM4652被应用在家庭影院和PC自动（Powered）超低音放大器、汽车音响增强（booster）放大器和自供是（self-powered）扬声器等方面，会取得令人满意的效果。 1 引脚功能 LM4651采用28脚塑料封装，图1（a）为LM4651封装顶视图。LM4652采用15脚TO-220塑料封装，分为隔离和非隔离两种形式。其中，采用隔离型的LM4652TF引脚排列如图1（b）所示。 LM4651是一种PWM控制/驱动器IC，内置振荡器、PWM比较器、误差放大器、反馈测量放大器、数字逻辑与保护电路及驱动器等，表1列出了LM4651的引脚功能。LM4652的引脚功能说明如表2所列。

表1 LM4651的引脚功能 脚号 引脚符号 功 能 描 述 1 OUT1 输出到功率MOSFET栅极驱动电路的基准脚 1，27 BS1,BS2 为驱动上面的栅极HG1、HG2提供额外偏置的自举脚 3 HG1 半桥中#1高端栅极驱动输出 4 HG2 半桥中#2高端栅极驱动输出 5，15 GND 模拟地 6 +6VBYP 模拟电路内部调节正电压输出，该脚仅用作内部调整器旁路 7 +Vcc IC正电源电压输入 8 -6VBYP 模拟电路内部调节负电压输出，该脚仅用作内部调整器旁路 9 FBKVo 反馈测量放大器输出脚 10 ERRIN 误差放大器反相输入脚。该脚上的输入音频信号与反馈信号相加 11 ERRVo 误差放大器输出脚 12 TSD 热关闭输入脚，连接LM4652的热关闭输出 13 STBY 待机功能输入脚 14 FBK1 反馈测量放大器，该脚必须连接到来自VO1（LM4652脚15）的反馈滤波器 16 OSC 开关频率振荡脚，调节电阻从15.5kΩ到0Ω变化，开关频率从75kHz到225kHz变化 17 Delay 延迟时间调整脚 18 SCKT 短路设定脚，最小设定值是10A 19 FBK2 反馈测量放大器脚，该脚必须连接到来知VO2（LM4652的脚7）的反馈滤波器 20，21 -VDDBYP 供数字单元电路使用的调整器输出，该脚仅作旁路用 22，23 -VEE IC负电源电压 24 START 启动电容输入脚。可调节调制器的诊断时序启动时间 25 LG1 半桥中#1低端栅极驱动器输出 26 LG2 半桥中#2低端栅极驱动器输出 28 OUT2 输出到功率MOSFET栅极驱动器电路的基准脚 表2 LM4652的引脚功能 脚 号 引脚符号 功 能 描 述 1 GND 地端 2 LG1 半桥低端（#1）MOSFET栅极驱动输入 3 VEE 功率MOSFET半桥负电源电压 4 TSD 热关闭识别脚。当芯片超过150℃时，该脚过渡到6V 5 NC 未连接 6 LG2 半桥低端（#2）MOSFET栅极驱动输入 7 Vo2 半桥-端开关输出脚 8 NC 未连接 9 NC 未连接 10 HG2 半桥高端（#2）MOSFET栅极驱动输入 11 NC 未连接 12 NC 未连接 13 Vcc 功率MOSFET半桥正电源电压 14 HG1 半桥高端（#1）MOSFET栅极驱动输入 15 VO1 半桥-端开输出脚 2 主要参数及特点 2.1 主要参数 a.极限参数 LM4651/LM4652的最高电源电压为±22V，其功耗分别为1.5W和32W，最高结温为150℃，工作温度范围为-40～+85℃。LM4652的最大输出电流为10A。 b.电气特性 LM4651的总静态电流（在LM4652不连接时的典型值）为36mA，待机状态时的输入电压（典型值）为2V，开关频率范围（在Rosc从15kΩ变为0Ω时）为65～200kHz，死区时间为27ns，调制保护时间（典型值）为310ns。 LM4652中MOSFET的漏-源极击穿电压为55V，通太电阻（典型值）的0.2Ω，最大漏极电流（ID）为10A，栅极门限电压（典型值）为0.85V。 LM4651/LM4652的主要技术参数为： ●总揩波失真（THD）（在10W、4Ω和10～500Hz下）≤0.3%； ●输出功率（4Ω、75kHz、10%THD时）为170W； ●最大效率（在125W和1%THD下）为85%； ●待机状态衰减>100dB。 2.2 主要特点 LM4651/LM4652的主要特点如下： ●具有常规的脉冲宽度调制（LM46451）； ●开关频率外部可控，范围为75～200kHz； ●内含集成误差放大器和反馈放大器； ●可导通软启动和欠电压闭锁； ●具有过调制保护（软削波）功能； ●可进行短路电流限制和热关闭保护； ●具有自检查保护诊断功能。 3 原理和应用电路 图2为LM4651与LM4652的典型应用及测试电路。该电路有助于人们了解两芯片尤其是LM2651的功能和原理。 3.1 系统功能简述 LM4651是常规脉冲宽度调制器/驱动器IC。图3所示为输入音频信号与频率远高于音频信号的三角波信号的比较波形。比较器产生一个占空比与音频信号电平成正比的矩形波电压，以驱动LM4652半桥电路中的功率MOSFET，然后将功率MOSFET的脉冲序列（frain）通过LC低通滤波器在滤除高频后施加到扬声器。 3.2 待机（Standby）功能 LM4651的CMOS兼容性允许通过关闭脉冲宽度波形去关断所有功率MOSFET。由于待机状态关闭了脉冲宽度波形，其音东衰减大于120dB,因 而EMI被限制到最小限度，当脚13不逻辑“1”功5V时，待机功能有效；脚13为逻辑“0”或0V时，待机无效，允许利用输入信号调制。 3.3 启动程序和定时 LM4651具有内部软启动功能，该软启动功能可保证系统的可靠和协调启动，从而使导通喇叭声（thump）或彭彭声（pop）减到最小。在启动周期内，系统保持待机模式。启动时间的调节可通过连接到START脚的电容（CSTSRT）来控制。 3.4 电流限制和短路保护 连接在SCKT脚与GND之间电阻RSCKT用来决定最大输出电流。一旦输出电流高于设定限制，短路保护将关断所有功率MOSFET 电流限制最小设备在10A，但调节RSCKT数值可以适当使电流增大，在输出端短路或场声器失效（出现短路）的情况下，IC将执行安全保护功能。 3.5 死区时间设定 LM4651上的DELAY脚可用来设定系统死区时间。所谓死区时间是指LM4652中一对MOSFET在另一对MOSFET导通前被关断的时间间隔。增加死区时间将减小贯通（Shoot through）电流，但同时也会增大THD。随着所希望的工作带的增加，死区时间应当减小。调节电阻RDLY，可改变死区时间，关系如下： TDLY="1".7×10 12(500+RDLY) 通常RDLY的推荐值为5kΩ。TDLY的单位为秒。 3.6 过调制保护 图4为过调制保护工作波形。当输入信号幅值高于内部三角波时，过调制条件发生，如果缺少过调制，将导致功率MOSFET永久性毁坏。在正统波顶部，过调制保护还提供一个软削波（soft clip）型响应。对于给定的相同的电压和负载，这种限幅将使输出功率降低。 3.7 反馈放大器和滤波器 反馈放大器用来进行差动取样输出信号并为误差放大器提供一个单端反馈信号，反馈信号直接取自LC滤波器之前的开关输出，从而避免了输出滤波器引起的相移。来源于桥式输出的差动信号经单极点或双极点的RC滤波器进入到作为反馈放大器使用的高输入阻抗测量放大。反馈测量放大器的内部固定增益为1。 3.8 误差放大器 音频输入信号与来自输出的反馈信号在误差放大器上相加。放大器增益由外部电阻RF和R1决定。并联反馈电容CF和电阻RF组成低通滤器，可用于限制输入音频信号和反馈信号的频率含量。 3.9 外部元件功能说明 对于图2所示的应用电路，LM4651/LM4652外部主要元件的功能说明如表3所列。

表3 外部元件功能说明 元 件 功 能 R1，R2 输入电阻，与RF一起定系统增益：Gain=[(RF/R1)(Vcc/1.75V)]/{1+[(RF/R1)(RF/R2)(RFL2/(RFL1+RFL2))(Vcc/T)]} RF，CF RF与 CF形成低驼江波器，设定误差放大器增益和带宽，fc=1/(2πRFCF）（H2）上为3dB极点 RFL1 RFL1与RFL2提供反馈信号衰减。RFL1应为10RFL2，同见R1、R2注释。 RFL2，CFL1 RFL2与CFL1产生一个低通滤波器，极点频率fc=1/2πRFL3CFL2) CFL2 用于反馈通路中的低通滤波器，以在fc=1/(2πRFL3CFL2）上建立第二个极点 L1,C1 L1与C1为输出提供两极点低通滤波器，fc=1/[2π(L1C1) (1/2)] Cbyp 并接于扬声器两端，用作滤除噪声和高频谐波 CB1～CB4 Vcc、VEE、模拟与数字电压（VDD、+6V、-6V）旁路电容 BBT 自举电容 RDLY 设定死区时间 CSTART 用于控制启动时间；TSTART=(8.5×10 4）CSTART（s) RSCKT 设定输出短路电流：ISCKT=(1×10 5）/（10kΩ‖RSCKT)(A) ROSC 控制开关频率：fsw=(1×10 9)/(4000+Rosc)(Hz) D1 肖特基二术管，用作保护输出MOSFET CSBY1～CSBY3 电源退耦电容 4 其它 为进一步提高D类音频放大器的性能，可以采用LM833来设计带2阶代通滤波器并使其增益为10（20dB）的简单输入级电路，如图5所示。在超低音应用中，低通滤波器的极点频率通常设定在60～180Hz。 需要说明的是：用LM4651/LM4652组成的D类放大器的PCB板宜采用双面印刷电路板。