原创 选择D类立体声放大器

　　为电子产品选择合适的器件是一项非常复杂的事情，常常要在许多方面反复进行折中，例如D类音频放大器就是这种器件。

　　下面通过一个假设的应用，例如由墙上电源适配器或碱性电池供电的手机或个人媒体播放器(PMP)底座，来介绍选择这类放大器的过程。

　　市场推广的需求

　　市场人员可能对产品提出很多具体建议，从一个很小的细节(例如，应该使用立体声扬声器)，到一堆要求与竞争产品相媲美的指导意见。市场人员也可能提出让产品符合业界的性能标准(如Microsoft Windows Vista或Dolby Digital认证)。

　　在我们的项目中(PMP底座或外置音箱)，我们假设市场人员要求产品在采用电池供电时，声音要尽可能大，工作时间要尽可能长，而且当电池快耗尽时应该温和适度地降低性能，使用两个直径50mm、功率为3W的8Ω扬声器。我们进一步假设，市场人员没有对底座的传输带宽、线性度或信噪比(SNR)提出更多的意见。

　　电路约束

　　如果产品有两个电源，一个是稳压的12V墙上电源适配器，一个是可选的碱性电池组(采用新电池时的标称电压为9V，在电能快耗尽时的电压为6V)。

　　输出 功率决定了放大器所需的输出级拓朴。为向8Ω负载提供每通道3W的功率，需要4.90Vrms左右的供电电压，或是6.93V的峰值电压。由于单端(半桥)布局即使在最好的供电条件下也无法产生所需的功率，必须采用BTL(全桥)拓扑。

　　进一步说，在最差(6V)的供电电压时，即使BTL放大器也不能产生维持3W输出所需的6.93V峰值电压。不过这可能不是问题，因为接近完全放电的电池一般不可能提供两个3W扬声器所需的电流了。最终的产品将可以实现市场人员所说的“温和降级”的特点。

　　物理/机械约束

　　D类音频放大器的效率要远高于线性(AB类)放大器。换言之，如果要给负载提供一个给定的输出功率，D类放大器在散热上浪费的功率要远小于相同输出功率的AB类放大器。

　　有必要检查是否需要特殊的热设计。假设，现在有一个合适的立体声D类放大器，可以在4.5V电压下工作，由正常工作的电源供电，可以输出2×3W的足够功率。

　　在2×3W输出功率(驱动两个通道)的条件下，效率与输出功率的关系图如图所示，从图中可见，器件的典型效率是82%。当有了这个指标之后，可由下式得出在这些条件下的散热功率。

　　η=Pout/Pin=Pout/(Pout+Pdiss)

　　Pdiss=Pout×(1-η)/η

　　这里，η为百分比。

　　图  效率与输出功率的关系曲线

　　立体声输出是6W(2×3W)，效率是82%，可以计算出Pdiss=1.32W，这可不是一个小数字。采用器件建议的封装，不太容易把热量散发出去，所以把热量散发出去的唯一办法是通过PCB板上的镀铜。

　　因此，在PCB布局阶段需要注意，确保暴露在器件下的引脚是与PCB板连在一起的，通过多条路径连到焊料侧的带铜接地上。在成本和封装约束允许的情况下，在PCB板上暴露的铜面应该尽可能大，以便将放大器产生的热量散出去。

　　这时，D类放大器的评估板是非常有帮助的，生产商提供的PCB布局和元器件的放置位置可以做为很好的参考，并可以通过实验室测试，知道器件在加负载情况的温升，并确保在高温下器件不会关断或发生误动作。

　　EMI约束

　　D类放大器的输出级会在电源轨之间快速地开和关，从而达到此类器件所特有的高效率。对放置在放大器附近的其他设备和电路来说，这种快速上升和跌落时间所产生的EMI是非常有害的。虽然对于采用D类放大器时，如何进行折中以满足RF辐射标准的详细分析超出了本文的论述范围，下面列出一些可供参考的指导意见。

　　首先是要了解产品必须满足的辐射标准，以及在满足标准的前提下希望留出的裕量。

　　不要假设所用的D类放大器的开关频率是300kHz，不会碰到30MHz或以上的情况，超出这个频段范围的辐射经常被检测。在100倍基本开关频率的声频段，都会出现难以消除的EMI辐射。

　　扬声器的引线实际上是一个有效的RF辐射天线。引线越长，会出现EMI问题的频率就越低。

　　如果在扬声器前使用了LC滤波器，截止频率为20kHz，就必须检查电感在整个EMI辐射频率范围内是否能够正常工作。

　　如果在底座外壳内有足够的空间和充足的PCB板面积，在设计PCB板原型时就可以有多个滤波器设计方案，这样就可以在产品进行EMC测试时尝试不同的方案，以达到所需的性能。

　　一些放大器提供商发布了在给定的电缆长度和滤波器元件的条件下，评估套件的RF辐射性能测试结果，这样就大大方便了工程师着手进行设计。为了从源头上减少EMI，大多数新型D类放大器都使用了专利的调制技术，以保证音频质量和效率。

　　供应链约束

　　不幸的是，在为产品仔细选择器件之后，要由许多非工程方面的因素来决定是否采用这种器件。下面是一些可能碰到的问题。

　　● 供应商是否通过了采购认证？

　　● 器件供应商的技术支持人员是否胜任？

　　● 后续成本满足目标要求吗？

　　● 对供货商能够以所需的数量提供稳定可靠的产品是否有信心？

　　细节设计

　　在任何音频系统设计中，精细的外观可以增加(或减少)用户对产品的整体体验。在选择各个音频部件的增益时，应在避免出现扬声器限幅失真的条件下，使整体的增益结构能够达到高音量。但也不能使增益过大，避免噪声超出可接受的音量水平。

　　应该使在开机和关机时出现的瞬态噪声最小化，但要抑制噪声，产品、价位和用户体验都会发生变化。对喀嗒声的抑制性能最终是由放大器决定的。一些生产商在数据表中给出了典型的喀嗒声抑制参数，这样就可以在进行听觉测试前,对不同器件进行比较。