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admin 发表于 2008-8-30 00:12

多种技术破解电磁干扰难题 D类放大器市场前景看好

<H1 style="FONT-SIZE: 18px" align=center>多种技术破解电磁干扰难题 D类放大器市场前景看好</H1>
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<DIV style="FONT-SIZE: 18px" align=center>来源:  赛迪网-中国电子报</DIV>
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<DIV style="FONT-SIZE: 18px">        主持人       冯晓伟
　　特邀嘉宾
　　ADI公司便携式音频产品部市场经理张扬
　　华润矽威科技（上海）有限公司系统应用部经理　王新成
　　美国国家半导体亚太区市场经理郭俊杰
　　美信集成产品公司中国区市场传播及应用支持经理　魏智
　　恩智浦半导体多重市场产品部大中华区高级市场经理　张秋明
　　安森美半导体数字及消费产品部低压电源管理产品市场经理　林欣欣
　　罗姆微电子集团模拟技术专家
　　德州仪器中国区高性能模拟产品业务开发经理　张洪为
 
 
　　编者按：随着便携式消费类产品日渐渗入生活的各个领域，模拟器件家族的重要成员—— D类放大器的应用日益广泛。与其他类别的放大器相比，D类放大器的优势何在，发展前景如何？就技术而言，D类放大器应用了哪些关键技术，有哪些技术瓶颈尚待突破？模拟器件主流厂商在D类放大器领域各自的优势何在，其技术有何特色？针对这些问题，《中国电子报》邀请业内知名企业人士进行了探讨。
 
　　效率优势明显
　　●功耗低符合节能环保要求
　　●散热少缩减电路板尺寸
 
　　张洪为　　A类放大器使用一只晶体管作为直流电流源，能够提供扬声器需要的最大音频电流，其输出级可以提供优良的音质，但功耗非常大，因为通常有很大的直流偏置电流流过输出级晶体管，而没有提供给扬声器。
　　B类放大器没有直流偏置电流，所以功耗大大减少。其输出晶体管是以推拉方式独立控制，从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流，而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管，因而减少了输出级功耗。但是B类放大器电路的音质较差，因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差。
　　AB类放大器是A类放大器和B 类放大器的折中，它也使用直流偏置电流，但它远小于单纯的A类放大器。小的直流偏置电流足以防止交越失真，从而能提供良好的音质，其功耗介于A类放大器和 B类放大器之间，也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。遗憾的是，即使是精心设计AB类放大器也有很大的功耗。
　　D类放大器由于具有不同的拓扑结构，其功耗远小于上述任何一类放大器。D类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有利于降低功耗，因为当输出晶体管在不导通时具有零电流，并且在导通时具有很低的电压，因而功耗较低。
 
　　魏智  大多数音频系统设计工程师都非常清楚，D类放大器与线性音频放大器相比，在功效上有相当的优势。对于线性放大器来说，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。因为D类放大器的晶体管只是作为开关使用的，用来控制流过负载的电流方向，所以输出级的功耗极低。D类放大器的功耗主要来自输出晶体管导通阻抗、开关损耗和静态电流开销，放大器的功耗主要以热量的形式耗散。D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可省掉散热器，因此非常适用于紧凑型大功率应用。
　　过去，基于PWM（脉宽调制）方式的典型D类放大器需要外部滤波元件，会产生 EMI（电磁干扰）问题，并且“THD+N”（总谐波失真+噪声）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，最新一代的D类放大器采用先进的调制和反馈技术，可很好地缓解上述难题。
 
　　张秋明　　与AB类放大器相比，D类放大器最大的优点是效率高：一般AB类放大器的效率不超过40%，而D类放大器通常可以达到80%以上，最高可以超过90%.由于其高效率，D类放大器体积可以做得很小，便于采用较小的封装，在中小功率产品中，基本上不需要外加散热器。
　　目前同等功率的D类放大器单颗芯片价格要比AB类贵，但是由于不需要散热片，在一些大功率应用比如组合音响、家庭影院上，D类和AB类总成本比较接近。另外，采用D类放大器还可以节省电源成本和能源消耗，符合节能环保趋势。
 
　　林欣欣　　D类放大器的开关结构是比AB类放大器更优胜的地方，但这也造就了它的缺点，即EMI的问题。人耳的听力范围介于200Hz至20kHz之间，D类放大器PWM信号的开关频率一般要高于这个范围，因此终端用户听不到PWM频率噪声。但是，当开关信号及其高频谐波被传播至PCB（印制电路板）上时，它可能与系统中的射频（RF）电路产生干扰。所以为了尽量减少任何潜在EMI问题所带来的影响，必须审慎地进行EMI滤波和做好布线预防措施。
　　通常来讲，D类放大器的“总谐波失真+噪声”额定值低于0.1%，而AB类通常低于0.01%.但对大多数扩音器应用而言，D类放大器的输出声音质量都可接受。只不过在头戴式耳机应用中，由于音频输出接近人耳，需要高保真的音频质量，所以，AB类放大器仍是设计的首选。
　　D类放大器调制音频信号采用的是PWM信号，而PWM信号是由电源电压进行偏置。D类放大器的额定电源抑制比（PSRR）可用于衡量这类放大器由电源电压波动产生失真的程度。设计人员应选具有较佳PSRR的D类放大器。
 
　　王新成　　AB类放大器采用了运算放大器的结构，由误差校正、电压放大和电流放大三部分组成，使用的全部是线性器件。D类放大器是由三角波产生器、积分器、比较器和电流开关组成，使用的是脉冲数字电路，几乎全部是非线性器件。AB类放大器具有良好的性能指标和更好的音质。D类放大器有很高的效率和明快的中高音，但存在EMI问题。D类放大器更适合于便携式电子产品、平板电视和有源音箱。但目前由于价格高于AB类放大器，应用没有AB类广泛。
 
　　罗姆专家    以前的扬声器放大器以AB类为代表的模拟方式为主流产品。此方式中，电源功率大部分提供给内部电路的偏置，以使输出三极管工作在线性区域，因此功率损失较大，从而产生较大的发热量（无用的能量）。因此，在成品当中，作为高发热量的对策，都必须采用大型散热片或散热风扇。针对这种现象，D类放大器中给扬声器负载提供电流的输出三极管工作于开关状态，功率损失非常小，因此，D类放大器具有发热量小的显著优点。
 
　　张扬　能够使用线性放大器的任何场合都可以使用D类放大器。不过，D类放大器功耗更低，产生的热量更少，不仅能够减小电路板尺寸，降低成本，并能延长便携式系统的电池寿命，因此，在应用中具有明显优势。
　　D类放大器采用了最新的技术，成本比线性放大器略高，但其价格正在下降。由于D类放大器功耗较低，因此省去了与散热器、风扇或其他冷却设备相关的成本（与空间）。此外，当利用数字信号源进行驱动时，线性放大器需要数模转换器（DAC）将数字音频信号转换为模拟格式，而数字输入的D类放大器有效集成了DAC功能，进一步减小了成本与PCB面积。
 
　　应用领域逐渐拓宽
　　●便携式产品应用尽显优势
　　●平板电视领域前景看好
 
　　郭俊杰 D类放大器属于扬声器专用的放大器，其典型应用领域是音乐手机等便携式多媒体设备，此外还有汽车音频系统、数字电视、超便携电脑（UMPC）以及刚刚兴起的MID（移动互联网设备）等。
 
　　林欣欣　　近年来，在延长电池工作时间和音乐播放时间等市场需求的带动下，手机已经从采用AB类放大器转向D类放大器。目前仍有一大部分的手机采用AB类放大器作为扬声器放大器，尤其是那些扬声器主要用作铃声的手机，放大器所消耗的电流极小，且持续时间短。在这类手机中，D类放大器可能没有太多的优势。但对其他有免提扬声器、MP3播放器、流视频和移动电视等诸多音频播放功能的手机来说，D类放大器能够延长电池工作时间，优势不言而喻。近年来，中国的音频设计人员已具备较高的系统设计技术水平，能够采用D类放大器进行“无噪声”设计。
　　由于D类放大器需要的散热面积较小，它将有助于减小散热片尺寸，帮助实现小巧纤薄的音频终端设计。在液晶电视和笔记本电脑等应用中，产品的厚度是决定消费者选择的关键因素之一，这使得D类放大器在这些领域的应用前景被看好。
 
　　王新成　　D类放大器在手机、家电、PC等领域的应用情况没有半导体厂商预料的好，主要原因是售价比AB类放大器高50%甚至几倍，还要在系统设计上花费成本和时间解决EMI.但D类放大器的能耗只是AB类的43%，节能特性决定了它未来的美好前景。
　　D类放大器本质上是一个DC-DC（直流-直流）转换器，只不过参考信号不是基准电压，而是变化的音频信号。因而只要有足够的输出功率，D类放大器可用于开关电源和马达驱动。但这种用法并不是科学合理的解决方案，因为在这些领域具有更优化的器件可用。
 
　　魏智　　当前，针对绝大多数应用都可以选择适当的D类放大器。这些应用包括低功耗便携式应用（如蜂窝电话和笔记本电脑），电池寿命、电路板空间和EMI兼容性要求在这类应用中至关重要；此外，还包括大功率应用（如车载音响系统或平板显示器），最大限度降低散热需求和发热量在这类应用中必不可少。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。
 
　　罗姆专家　　电视机正快速向大屏幕、薄型化方向发展，对D类放大器的小型、薄型化以及高效率、低发热特性提出日益严格的要求。此外，对于今后的产品特性，伴随音频信号的数字化要求，需要针对受限于产品尺寸配置的小扬声器，必须带有音频特性修正的均衡器功能，以及可以使用液晶面板的24V背光电源直接驱动的高耐压性能。罗姆电子正对应这些需求进行产品线的扩充。
　　越来越多的手机具有音乐、视频播放等多种功能。最重要的要求是电池的持续使用时间要延长，所以，对高效率、低功耗的D类放大器的需求今后会迅速扩大。D类放大器具有功率损失小、发热量少的特点，因此电机驱动器、逆变器等都可以采用。
 
　　张秋明　　D类放大器在手机应用上已经非常成熟，估计近1/3的手机已使用D类放大器。在平板电视中，32英寸以上的电视，基本上都采用了D类放大器。在组合音响、iPod音箱中，D类放大器的应用也越来越普遍。此外，在马达控制领域，D类放大器也有少量应用。
 
　系统需求决定集成程度
　　●便携式应用促进器件集成度提高
　　●系统设计应兼顾灵活性
 
　　王新成　　功能整合是降低IC成本、增强产品竞争力的必然做法。目前Δ-Σ方式的D 类放大器集成在蓝牙耳机、MP3播放器、音频编解码器和USB（通用串行总线）音频等线宽小于0.25μm的混合型芯片中，输出功率都不大，以驱动耳机和线路输出为主。模拟自振荡和三角波比较方式的D类放大器多集成在PMU（电源管理单元）、LED（发光二极管）驱动、音乐门铃等线宽 0.5μm～1.2μm的芯片中，输出功率不超过2.5W.这些产品对0.5W～2W输出功率的D类放大器市场有冲击，但对大功率D类放大器市场没有影响。
　　一些D类放大器内置了PWM调制器和功率MOS（金属-氧化物-半导体）管，这使得器件的外围电路较为简单，在PCB板上所占的面积较小，使用比较方便，其缺点是不易实现个性化设计，输出功率也不能随意改变。调制器和功率MOS管分立的 D类放大器由于应用比较灵活，系统工程师可以发挥自己的创造力，通过变通外围电路和选择不同的器件，设计出与众不同的产品。
 
　　林欣欣　　移动基带芯片组一直有一个或多个音频放大器，但这些集成音频放大器的使用仅局限于那些音频输出功率和声音质量并非至关重要的移动设备。由于MP3音乐的流行，声音质量成为移动设备的重要卖点，高输出功率能力、低失真、无“噼啪 -滴答”噪声等性能优异的独立式音频放大器将在中档音乐手机中维持相当大的市场份额。但对于拥有多个音频源和多路音频输出的较高档多媒体手机而言，情况则大不相同，因为这些手机需要高质量的音频处理和放大。由于这类便携设备的空间极为有限，诸如音频管理子系统的集成解决方案正在赢得更大的市场份额。
 
　　罗姆专家　　以手机为代表的便携式产品对于小型、轻量化的要求很高，D类放大器和 LED驱动器、LDO（低压差线性稳压器）等单片化的要求的确存在。但小型、轻量化的方向未必一定要单片化。比如，罗姆的CSP（芯片级封装）技术可使实装面积大幅缩小，基板布线也非常方便，另外，由于工作特性影响引起的噪音问题也得以解决。
　　罗姆的D类放大器系列中，PWM调制器、栅极驱动、功率输出三极管、保护电路等必要电路全部集成于一个芯片中。对整机来说，具有进行简单设计即可实现动作的优点。通常认为扬声器输出在100W以下时，单片电路可以有效工作，如果扬声器输出功率超过100W，从输出三极管的耐压和特性方面考虑，需要多个栅极驱动器和输出三极管共同构成。
 
　　郭俊杰　　实际应用时，输出功率较低的放大器必须将输出级内置于芯片之中，以便缩小器件体积。部分输出功率较高的D类放大器必须加设另一输出级，以提高电流/电压输出，因此这类放大器必须采用分立的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管），才可提高电流/电压输出。
 
　　张扬　　为了节省电路板空间，一些D类放大器在芯片上内置MOSFET，这对便携式应用非常重要；其缺点是输出功率被固定，而且会受到允许功耗的限制。更大型的设备，通常采用外部MOSFET，因为这样可以增加灵活性。
 
　　弥补电磁干扰“短板”
　　●多种技术缓解电磁干扰
　　●根据器件需求选择滤波方式
 
　　张扬　　所有的D类调制技术都是将音频信号编码至脉冲流。最常见的技术是PWM.PWM技术之所以受到青睐，是因为它在数百千赫兹的载频下具有100dB或以上的音频带信噪比（SNR）——这么低的噪声足以限制输出级的开关损耗。此外，调制器能实现几乎100%的调制稳定度，允许高输出功率。
 
　　罗姆专家　　D类放大器由高电压输出PWM调制的信号，开关频率虽只有数百千赫兹，但其高频成分可以延伸至数百兆赫兹。这些噪音会通过电源线、扬声器线传播，引起整机产生电磁辐射干扰噪音。
　　罗姆的D类放大器对高电压的开关输出电路采用最优化控制，强化对输出信号波形的过冲、下冲及伴随而来的振铃波形的抑制，从而实现辐射噪声的降低。另外，通常情况下D类放大器的开关输出之后，由PWM调制的信号需要恢复成模拟信号，需要设置低通滤波器。罗姆的D类放大器，在手机及其他扬声器线材较短的机器中，上述的低通滤波器可以省略，能够使外围元件数量得以减少。魏智　　美信通过对D类放大器的开关频率加抖实现扩谱调制，实际开关频率相对于标称开关频率的变化范围可达到±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。扩谱调制有效拓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，因而将扬声器电缆的EMI辐射降至最低。虽然一些频谱噪声可能由扩谱调制引入音频带宽内，但这些噪声可以被反馈环路的噪声整形功能抑制掉。美信的很多免滤波器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。
　　美信的新一代D类音频功率放大器采用了相同的扩谱调制技术，并在这项技术的基础上增加了一项新的、正在申请专利的有源辐射抑制电路（AEL），在不降低音频性能的情况下进一步降低窄带频谱分量。
 
　　郭俊杰　　美国国家半导体有一系列无需滤波器的D类放大器，以扩展频谱及增强版电波辐射抑制（E2S）技术为例，利用创新的技术，可将电磁干扰的影响减至最少。设计工程师只要采用已引进这些新技术的D类放大器，便不用担心电磁波干扰器件的运作。
　　此外，放大器若内置扩展频谱调制电路，便无需加设输出滤波器、磁珠或扼流圈。开关频率会在中心频率的上下波动，波幅约为±30%.这样可减少争用宽带频谱，确保扬声器、相关电缆及电路板走线所产生的电波辐射进一步减少。相对来说，固定开关频率D类放大器会有较大量的电波辐射，若电磁波的频率刚好是开关频率的倍数，创新的扩展频谱技术可将电磁波辐射扩散至一个较大的频带范围内。开关频率的周期性波幅不会影响音频信号的复制及转换效率。
　　E2S技术可以减少电磁干扰，确保复制的音频信号准确无误，而且还可进一步提高转换效率。由于E2S技术能够有效抑制输出噪声，因此输出方波的高频成分大致上可以全部滤除，而另一方面又可大量减少“THD+N”，并且大幅提高转换效率。由于D类放大器采用E2S技术，可确保“THD+N”低至只有0.03%，转换效率也可高达88%.
 
　　张洪为　　目前，有一些其他的调制技术如PFM（脉冲频率调制）或类似Δ-Σ调制类型的非定频PWM技术在D类放大器中采用，但是PFM的宽范围变频给滤波器设计带来困难，类似Δ-Σ调制类型的非定频PWM只能实现1阶Δ-Σ环，好处有限，对时钟抖动和电源噪声却很敏感，使用并不广泛。
　　由于D类放大器使用的频率一般在250kHz～500kHz之间，远低于30MHz，对喇叭的输出还可以采用双绞线，EMI的影响远低于一般想象。因此，我们建议小功率D类功放不加滤波器。
 
　　王新成　　PWM技术在D类放大器中起着决定性的作用，目前几乎所用的集成D类放大器都是基于PWM技术的，包括全数字Δ-Σ过采样方式的D类放大器，它的核心技术是PCM（脉冲编码调制）-PWM的转换算法。PDM（脉冲密度调制）是另一个很有前途的方法，因为它具有更优良的EMI性能和更好的音质，但要求载波频率必须高于2MHz以上，用目前的工艺难以解决开关损耗问题。
　　华润矽威设计的PT5305、PT5306、PT5326全部采用了无LC（电感-电容）滤波器技术，EMI传导噪声比传统方式低12dB，可以替代AB类放大器。这些器件除效率是AB类放大器的2.3倍之外，还具有比AB类放大器更好的音质。
 
　　林欣欣　　由于D类放大器利用动态扬声器的寄生电感和电容作为低通滤波器，市场上的产品大多都是“无滤波器”设计。但是，这没有免除在放大器输出上进行EMI滤波的需要。无论D类放大器采用的是何种调制技术，它始终会在输出端产生开关信号。这开关信号如果未被滤除，将沿着输出和接地迹线传播至系统的其他部分。安森美半导体建议音频设计须留心EMI滤波和PCB布线设计两方面的问题。 EMI滤波器应能消除可能与高于700 MHz RF频率产生干扰的信号。常见的EMI滤波器解决方案是在D类放大器的每路输出增加铁氧体片式磁珠，其中磁珠的位置应该越接近放大器的输出引脚越好。
 
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