基于SG3525A的D类数字功放设计与实现

D类功放的突出优点是效率特别高，这是因为它的输出电路工作在开关状态；而要开关工作又必须进行调制，常用的调制方式是正弦脉宽调制（SPWM）。D类功放的框图如下图1所示。

图1  D类功放方框图

1．H桥及滤波电路设计

H桥及滤波电路比较简单，如下图2所示。

图2  H桥及滤波电路

H桥用4只场效应管组成，Q1、Q2组成一个桥臂，Q3、Q4组成另一个桥臂，滤波电路与一般D类功放一样采用由L1、L2、C1、C2组成一个低通滤波器。它的工作过程是：当前级驱动正半周时，电流由VDS→Q1→11→Y→L2→Q4→地；负半周时，电流由VDS→Q3→L2→Y→L1→Q2→地。

Q1-Q4选用N沟道功率场效应管BUZ11，其参数如下：75W/30/V50V/0.05Ω；L1、L2选100μF/2A，电容C1、C2选0.47μF。

2．驱动电路设计

驱动电路的任务是驱动H全桥的场效应管，为了驱动高端管子，驱动电路应具有自举浮地功能。

这里可以选用两只廉价的IR2101来实现。IR2101内部框图、引脚图如下图3（a）、3（b）所示。

图3（a）IR2101内部框图

图3（b）IR2101引脚图

IR2101的引脚功能如下：

引脚7是高端输出（HO），引脚5是低端输出（LO），引脚1是低端电源电压（VCC），引脚8是高端浮置电源电压（VB），引脚4是低端电源公共端（COM），引脚6是高端浮置电源公共端（VS），引脚2是高端逻辑输入控制端，（HIN）引脚3是低端逻辑输入控制端（LIN）。

使用IR2101的驱动电路如下图4所示。

图4  IR2101驱动电路

为了降低成本和简化电路，也可以采用脉冲变压器驱动，电路如下图5所示。

图5  变压器驱动电路

3．载波、调制、死区电路设计

载频发生器、调制电路、死区控制电路可以由一片SG3525A实现。SG3525A是电压控制模式的PWM控制与驱动器（UC3525A、KC3525A同，用SG3525B可以直接替换），它主要用于开关电源。

它的内部主要由基准电源、误差放大器、振荡器、PWM比较器、触发器、输出电路等组成，封装形式有16脚DIP封装，其引脚功能及特点如下：

1脚：误差放大器反相输入；2脚：误差放大器同相输入；3脚：振荡器外同步控制输入，若采用内部振荡时钟信号，该脚悬空或接高电平；若采用外同步时钟信号，该脚接地，并且外同步时钟应从4/5脚输入；4脚：内部振荡器输出端，外同步时为外同步时钟输入端；5脚：外接定时电容端；6脚：外接定时电阻端，与5脚共同决定内部振荡器的振荡频率；7脚：外接放电电阻端，它与5脚电容决定PWM驱动信号A路输出与B路输出间的死区时间；8脚：外接软启动电容端；9脚：内部PWM比较器输入端；10脚：外部控制端，接低电平时芯片内部工作；接高电平时，芯片内部被关断；11脚：PWM驱动信号A路输出；12脚：地端；13脚：集电极开路输出端，应用时，一般与Vin间接一个小阻值电阻；14脚：PWM驱动信号B路输出端；15脚：芯片电源端；16脚：内部基准电源输出端。其内部框图如下图6所示。

图6 SG3525A内部框图

SG3525A的内部振荡器为一个三角波发生器，它的振荡频率由6脚的电阻和5脚的电容决定。内部还有一个PWM比较器，当9脚输入电压发生变化时，三角波和输入电压的交点发生变化，比较器输出脉宽发生变化，从而实现脉宽调制（PWM）。如果我们在其9脚输入具有输入音频信号幅值和频率信息的直流电压，则其输出脉宽就一定反映音频信号幅值和频率的变化。由SG3525A构成的音频SPWM电路如下图7所示。其振荡频率fo可以选择在300kHz上下，它与Rt、Ct、Rd有关，可以在其数据手册中通过查表得到。

一般的表达式为：fo=l/Ct（0.67Rt+1.3Rd）；R1选2.2Ω，R2选4.7Ω，Rd选10Ω。

图7  SG3525A构成的音频SPWM电路

4．音频放大器设计

音频放大器用运放构成，如下图8所示。

图8  音频放大器

为了将音频叠加在直流电压上送至SG3525A的9脚，将双电源运放设计成单电源应用，这样既放大了音频信号又将SG3525A的9脚偏置在一定的直流电压上，即，使SG3525A在无信号输入时的中心脉冲占空比偏置在一定值上。图中运放采用OP07，其同相输入端由R2、R3，分压后偏置在U3=VCC★R3/（R2+R3）上，使其6脚亦即SG3525A的9脚也偏置在此值上，在无信号输入时SG3525A的输出脉冲占空比也偏置在相对应的值上；当有音频信号输入时，OP07的输出6脚即SG3525A的9脚直流电压为：

U9=（VCC*R3/（R2+R3）±UIMSinωt

则，U9的波形示意如下图9。

图9  U9在信号输入时的波形图

由图可知，SG3525A的9脚直流电压按输入信号规律变化。则，SG3525A输出脉冲占空比随输入信号在偏置点上下按信号规律变化，从而实现SPWM调制。

R1=R2=R3=47K，R4=250K，C1=C2=1μf，输入电位器为10K。

5．整体电路

整体电路如下图10所示。

图10  基于SG3525A的D类数字功放电路

6.结论

使用SG3525A的D类数字功率放大器具有电路简单、无须调整、输出功率大、电源效率高、功率元件发热小等优点。由于功率元件外接，还特别适合较大功率的场合；另外，除了功率元件外还很容易实现集成，是一种很有发展前途的电路。