便携设备中反馈网络和扩谱调制技术的应用

　　前言

　　当今利用反馈网络与频率扩展技术改善开关的EMI己在便携设备中的开关稳压器与现代D类放大器中获得了应用。这是什么原因？

　　现代D类放大器的高效特性，在日新月异的多媒体时代新潮中己成为便携式和大功率应用的理想选择。之所以这样是因许多现代D类放大器采用先进的扩谱调制技术，可使各种应用免去外部滤波器并降低电磁于扰（EMl）。而省掉外部滤波器器不仅降低了电路板空间要求，同时大幅降低了很多便携式/紧凑型应用的成本。

　　由于开关稳压器能极大地节省空间并具有极低的功耗，则此稳压器正逐步取代线性稳压器，而进入各种新型应用中。但开关稳压器有一个缺点，其内部开关电流可能产生EMI。EMI的峰值能量集中在开关频率上，降低EMI的传统方法是谨慎处理接地、屏蔽和滤波。以上方法以控制和抑制稳压器内部开关电流所产生的辐射为主。此外，降低开关电流的幅度和改变频率也能降低EMI。但确切地说，多相同步和扩展频谱频率调制（SSEM）及反馈网络技术是降低EMI的两种强有力的工具。此外，降低开关电流的幅度和改变频率也能降低EMI。

　　值此本文仅对其反馈技术、扩谱调制技术及新一代无滤波器D类放大器分析说明。因为对D类放大器及其最新的技术发展有一个基本理解，将有助于设计者为具体应用选择合适的放大器，并正确权衡某些功能特性的优势和劣势。为此首先应了介基于PWM方式的传统D类放大器存在的问题。

　　1、传统D类放大器存在的问题

　　传统D类放大器的一个主要缺点就是它需要外部LC滤波器。这不仅增加了方案总成本和电路板空间，也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。很多D类放大器还会使用全桥输出级。全桥电路使用两个半桥输出级，并以差分方式驱动负载。这种负载连接方式通常称为桥接负载（BTL）。全桥结构是通过转换负载的导通路径来工作的。因此负载电流可以双向流动，无需负电源或隔直电容。传统的、基于PWM的BTL型D类放大器各输出波形。各输出波形彼此互补，从而在负载两端产生一个差分PWM信号。与半桥式拓扑类似，输出端需要一个外部LC滤波器，用于提取低频音频信号并防止在负载上耗散高频能量。

　　与所有传统D类放大器一样，基于PWM方式的典型D类放大器需要外部滤波元件，会产生EMI／EMC兼容性问题，并且THD+N性能较差，因此与线性放大器相比，它的高效优势大为失色。然而，现代D类放大器采用先进的调制和反馈技术，可很好地缓解上述问题。

　　2、利用反馈网络改善性能

　　许多D类放大器采用PWM输出至器件输入的负反馈环路。闭环方案不仅可以改善器件的线性，而且使器件具备电源抑制能力。开环放大器却正相反，它的电源抑制能力微乎其微。在闭环拓扑中，因为会检测输出波形并将其反馈至放大器的输入端，所以能够在输出端检测到电源的偏离情况，并通过控制环路对输出进行校正。闭环设计的优势是以可能出现的稳定性问题为代价的，这也是所有反馈系统共同面临的问题。因此必须精心设计控制环路并进行补偿，确保在任何工作条件下都能保持稳定。

　　

　　典型的D类放大器采用具有噪声整形功能的反馈环路，可极大地降低由脉宽调制器、输出级以及电源电压偏离的非线性所引入的带内噪声。这种拓扑与用在∑-△调制器中的噪声整形类似。为阐明噪声整形功能，图1给出了为现代D类放大反馈补偿回路以传递函数形式表达的示意图，即一个1阶噪声整形器的简化框图。反馈网络通常包含一个电阻分压网络，但为简便起见，图1的反馈比例为1。由于理想积分器的增益与频率成反比，图中积分器的传递函数也被简化为1／s。同时假定PWM模块具有单位增益，并且在控制环路中具有零相位偏移。使用基本的控制模块分析方法，可得到以下输出表达式：

　　

　　由等式1可知，噪声项En（s）与一个高通滤波器函数（噪声传递函数）相乘，而输入项VIN（s）与一个低通滤波器函数（信号传递函数）相乘。噪声传递函数的高通滤波器对D类放大器的噪声进行整形。如果输出滤波器的截止频率选取得当，大部分噪声会被推至带外（见图1右上角坐标糸统）。上述例子使用的是1阶噪声整形器，而多数现代D类放大器采用高阶噪声整形拓扑，以便进一步优化线性度和电源抑制特性。

　　3、新型无滤波器D类放大器的导出

　　传统D类放大器的一个主要缺点就是它需要外部LC滤波器。这不仅增加了方案总成本和电路板空间，也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。幸好，很多现代D类放大器采用了先进的“免滤波器”调制方案，从而省掉或至少是最大限度降低了外部滤波器要求。图2给出免滤波器调制器拓扑的简化功能框图。与传统的PWM型BTL放大器不同，每个半桥都有自己专用的比较器，从而可独立控制每个输出。调制器由差分音频信号和高频锯齿波驱动。当两个比较器输出均为低电平时，D类放大器的每个输出均为高。与此同时，或非门的输出变为高电平，但会因为RON和CON组成的RC电路而产生一定延时。一旦或非门延时输出超过特定门限，开关SWl和SW2随即闭合。这将使OUT+和OUT-变为低，并保持到下个采样周期的开始。这种设计使得两个输出同时开通一段最短时间t0N（MIN），这个时间由RON和CON的值决定。如图3所示，输人为零时，两个输出同相并具有t0N（MIN）的脉冲宽度。随着音频输入信号的增加或减小，其中一个比较器会在另一个之前先翻转。这种工作特性外加最短时间导通电路的作用，将促使一个输出改变其脉冲宽度，另一个输出的脉冲宽度保持为t0N（MIN）（图3）。这意味着每个输出的平均值都包含输出音频信号的半波整流结果。对两路输出的平均值进行差值运算，便可得到完整的输出音频波形。

　　

　　

　　由于MAX9700的输出端在空闲时为同相信号，所以负载两端没有差分电压，从而最大限度降低了静态功耗，并且无需外部滤波器。免滤波器D类放大器从输出中提取音频信号时并不依靠外部LC滤波器，而是依靠扬声器负载固有的电感以及人耳的听觉特性来恢复音频信号。扬声器电阻（RE）和电感（LE）形成一个1阶低通滤波器，其截止频率为：

　　

　　对大多数扬声器而言，这个l阶滚降足以恢复音频信号，并可防止在扬声器电阻上耗散过多高频开关能量。即使依然存在残余开关能量使扬声器组件产生运动，这些频率也无法入耳被听到或影响听觉感受。使用免滤波器D类放大器时，为获得最大输出功率，扬声器负载应保证在放大器开关频率下仍为感性负载。

　　4、利用D类放大器延长电池使用寿命

　　高效D类音频功率放大器使电池使用寿命延长为传统线性放大器的两倍，从而使音乐播放时间更长。DC音量控制等特性不仅降低了系统成本，实现了板级空间的最小化，同时其低噪声底限能扩大动态范围，并优化音频质量。D类音频放大器可为你的便携式扬声器系统提供灵活的低成本设计解决方案，见图4示意图。图4中D类放大器可采用TPA2008D2型2×3W D类放大器。该解决方案应用范围为：音频基座，迷你扬声器，轻便型收录机。其特性为：8Ω扬声器提供的88％的 D类放大效率；集成DC音量控制范田为-38dB至20dB，而步长为2dB；低噪声底跟；42μVrms；电源坟波抑制比（PSRR）70dB；TPA2008D2型为24引脚HTSSOP封装。

　　

　　5、降低EMI有效技术—扩谱调制的应用

　　免滤波器工作方式的一个缺点就是可能通过扬声器电缆辐射EMI。由于D类放大器的输出波形为高频方波，并具有陡峭的过渡边沿，因此输出频谱会在开关频率及开关频率倍频处包含大量频谱能量。在紧靠器件的位置没有安装外部输出滤波器的话，这些高频能量就会通过扬声器电缆辐射出去。免滤波器D类放大器采用”扩谱调制方案，可帮助缓解可能的EMI问题。

　　扩展频谱模式下，采样时钟频率在规定的范围内逐周期变化，使输出频谱的分布比较平坦，从而改善了经过喇叭或音频线缆的EMI辐射（见图5所示）。采样频率的变化不会破坏音频信号的恢复，也不会降低整体效率。

　　

　　一些D类放大器也可允许接受外部的系统频率同步，来降低或避开敏感的频带。另外，现代D类放大器具有主动幅射限制电路（AEL），AEL电路会在输出瞬变时主动控制输出FET的栅极，避免传统D类放大器中因感性负载的续流所引起的高频幅射，进而降低EMI。

　　例如MAX9705、MX9773两款现代D类放大器除了具有普通的固定频率模式（FFM）、扩展频谱模式（SSM）、外部同步模式及SSM+AEL模式，用户可利用其SYNC引脚设定取样频率。现代D类放大器，加上仿真程序的计算，可计算出各个模式下的EMI特性。扩展频谱模式+主动幅射限制模式下，提供最佳的EMI抑制。

　　通过抖动或随机化D类放大器的开关频率实现扩谱调制。实际开关频率相对于标称开关频率的变化范围可达到土10％。尽管开关波形的各个周期会随机变化，但占空比不受影响，因此输出波形可以保留音频信息。图6显示以MAX9700为例的扩谱调制的效果，是在OUT+或OUT-与地之间宽带（为10KHz）的输出频谱测量效果，即扩谱调制将MAX9700的频谱能量分布在更宽的频带内。扩谱调制有效展宽了输出信号的频谱能量，而不是使频谱能量集中在开关频率及其各次谐波上。换句话说，输出频谱的总能量没有变，只是重新分布在更宽的频带内。这样就降低了输出端的高频能量峰，因而将扬声器电缆辐射EMI的机会降至最少。虽然一些频谱噪声可能由扩谱调制引入音频带宽内，这些噪声可以被反馈环路的噪声整形功能抑制掉。

　　

　　很多现代免滤波器D类放大器还允许开关频率同步至一个外部时钟信号。因此用户可以将放大器开关频率设置到相对不敏感的频率范围内。

　　尽管扩谱调制极大地改善了免滤波器D类放大器的EMI性能，为了满足FCC或CE辐射标准，实际上还是需要对扬声器电缆长度加以限制。如果设备因扬声器电缆过长而没能通过辐射测试，则需要一个外部输出滤波器来衰减输出波形的高频分量。对于许多具有适度扬声器电缆长度的应用来说，在输出端安装磁珠／滤波电容即可满足要求，见图7（a）所示。而图7（b）为省掉价格昂贵的电感而用磁珠／滤波电容使EMI受限的特性曲线。

　　

　　6、结语

　　当前，有多种D类放大器可供选用，以满足各类应用需求。这当中包括低功耗便携式设备（如蜂窝电话和笔记本电脑）以及大功率设备（如车载音响系统或平板显示器），对于前者来说，电池寿命、电路板空间和EMI兼容性往往至关重要；而后者则要求最大限度降低散热需求和发热量。