一種圖騰柱放大電路和結構研究

潘少祠，雷久淮，王 微，姚 島

(廣東省科學院電子電器研究所，廣東 廣州)

引言

目前音頻功率放大器的應用已經從原來的模擬線性功放A 類，B 類，AB 類結構轉向D 類音頻放大器并廣泛普及應用，在眾多領域已經取代線性功放；D類音頻放大器也稱數字功放或D 類音頻功放，D 類音頻功放在效率和功耗上已經得到了很大的提升，但還有進一步提升的空間，特別是在尺寸、電路和結構，以及工程設計應用和生產方面。本文通過對一種圖騰柱功率放大電路和結構研究，及其應用到D 類音頻功放[1]，經結構優化減少電路PCB 尺寸及縮小散熱器體積，通過模塊化設計思路[2]，實現D 類音頻功放使用場景中的靈活擴展和組合應用。

1 原理與設計

目前D 類音頻功放電路主要有半橋式和全橋式結構，輸出類型有互補型和圖騰柱型。互補結構允許單端輸入，但是卻存在較大缺陷，上下管可能會同時導通。圖騰柱結構采用雙驅動輸出，可設置死區時間，避免了上下管的同時導通。圖騰柱電路結構常應用于D 類音頻功放，其失真度隨著采樣頻率的提高，現在的D 類音頻功放已經可以達到線性功放的失真度水平[3-4]，其他關鍵指標：效率和電磁兼容，而電磁兼容等問題還是主要面臨的問題，電路工作時功率管的開通、關閉和導通都會消耗功率，隨著功率半導體技術的發展，功率管的導通電阻已經降低到毫歐級別，而功率管的開啟和關閉是主要功耗來源[5-6]。通過電路和結構的研究，設計電路選擇合適的工作點可以讓D類音頻功放保持最佳的工作效率，同時失真度基本不影響，還可以改善電磁兼容EMI 性能[7-8]。

1.1 電路分析

結合圖騰柱結構，進行D 類音頻功放的效率分析，如圖1 所示。通常圖騰柱電路器件和輸出結構器件設計決定著整個電路的效率。

圖1 半橋圖騰柱結構

其中T 為采樣信號周期，當線性負載時有I=IL。

根據公式（6），預設功率管的開啟和關閉過程時間固定，得到采樣頻率與電路效率的關系曲線。在D類放大電路中，采樣頻率越高，電路的效率會降低。

而根據公式t=N/fs，fs 為采樣頻率，在1 kHz 正弦波中，采樣率越高說明采樣的點越多，波形越接近于真實波形，波形的線性失真越小。

因此在高效率與低失真之間只能折中，而實際中線性失真對于人耳的聽覺分辨其實影響還不是關鍵的，總諧波失真在1%以下，一般耳朵分辨不出來。因此在設計中更加著重考慮電路效率和電磁兼容的問題。看似只是兩個問題其實還會影響到散熱、結構、電路布局、布板和外形等。

1.2 電路設計

根據研究內容設計電路的參數如表1 所示。

表1 電路設計參數

1.2.1 原理圖分析

采用圖騰柱結構的D 類音頻功放，主電路結構如圖2 所示，采取高低側獨立驅動輸出，高壓側驅動供電采用電容升壓電路可以減少電路器件[3]。直流偏壓反饋采樣控制零點電壓動態平衡，輸入設計RC 帶通濾波電路，輸出電感采用扁平貼片功率電感，能夠減少漏磁，改善電磁兼容EMI 特性，電感直流電阻在幾十毫歐，基本不影響音頻輸出；濾波電容使用材質X7R 高頻特性較好的MLCC 封裝電容。電路中與電磁兼容EMI 關聯的主要元件關鍵參數如表2 所示。

表2 效率測試數據

圖2 D 類音頻功率放大器主電路結構

與電磁兼容EMI 相關的除了元器件，電路布線也是其關鍵，如圖2 電路中兩個功率回路對電磁兼容EMI 高頻影響比較重要，實際布線電路的環面積和濾波回路對電磁兼容特性有重要影響，要求環路面積盡量小，高頻回路阻抗盡量低。

電路的電磁兼容特性仿真分析，根據圖2 所示電路進行仿真，仿真波形采集濾波電感的濾波前信號EMIH 和濾波電感的濾波后信號EMIL，對信號EMIH和信號EMIL 進行頻域分析，得到如圖3 所示的頻譜，從頻譜圖中可以看到，沒有濾波的信號EMIH 含有豐富的高頻分量頻譜，而且幅度值都大于10 000 uV，即大于80 dBuV，如果沒有濾波電路，直接經后級引線輸出會造成嚴重的EMI 輻射騷擾，而不能滿足國家標準中電磁兼容的要求。經過濾波后的信號EMIL，其頻譜曲線幾乎沒有高頻分量，其值已經低于標準要求的限制值，符合標準要求。

圖3 信號EMIH 和信號EMIL 的仿真頻譜對比

1.2.2 電路板圖設計

根據表1 和圖2 研究內容分析，設計電路印制版圖，主要從兩個方面考慮：電路性能和散熱性能，具體考慮因素主要包括：布局、布線、安裝結構、電磁兼容、散熱、電氣安全等。

如圖4 所示，是設計好的電路布局布線結構圖，圖中PCB 板中是高頻信號經電感的走向，由圖中分析可知，為電感濾波提供了很好的高頻回路，主要特點：環路面積小，濾波單元靠近高頻發射端，因此能有效降低電路的電磁兼容EMI。

圖4 PCB 板電磁兼容高頻信號分析

功率管的散熱通過貼裝到平面散熱器，能有效增大散熱面積而體積增加很少，整體電路和結構簡潔清晰，有利于工程化應用。

2 實驗與測試

電路圖布線制板的實物尺寸80 mm×42 mm×20 mm，主要包括：主電路板結構，散熱器結構，各功能接口。進行實驗與測試條件：輸入信號是1 kHz500 mVpp 正弦波，負載是4 Ω 線性電阻，負載輸出線纜長度1 m。

實驗與測試進行了效率測試，電磁兼容測試和電路放大波形分析，對測試結果進行了簡要的分析并得出結論。

2.1 效率測試

效率測試條件和結果如表2 所示。

從測試數據看，測試電路的效率結果與設計基本一致，符合設計要求。

2.2 電磁兼容測試

額定功率下電磁兼容測試輻射騷擾測試結果如表3 所示。在測試天線水平和垂直兩個極化方向下，測試結果符合標準限值要求，低于限值6 dB 以上。

表3 電磁兼容測試輻射騷擾測試結果

2.3 波形測試分析

對D 類音頻功放實物模型測量其信號放大后的波形，經電路放大后信號的波形比較平滑，沒有過充振鈴；如果放大信號中出現振鈴現象，振鈴現象對電磁兼容EMI 影響比較大，振鈴波形中含有比較豐富的高頻分量，經輸出線纜向外輻射，此時再采取措施進行處理電磁兼容EMI 問題比較困難，可使用的方法和手段比較有限，而且常常很被動效果不佳。

經過實驗和測試，此D 類音頻功放實物模型對所研究的電路和結構均已得到驗證，測試數據與理論研究結論相符，驗證了電路和結構的可行性。

3 結論

限于研究時間，只進行了特定功率范圍內圖騰柱結構電路的效率、實際電路結構設計和電磁兼容等方面的研究。通過對圖騰柱結構的D 類音頻功放電路和結構的研究，經過理論分析，電路設計，實驗環節，實驗數據與理論研究相互驗證。著重對電路的效率、電路性能、電磁兼容性進行了優化，特別是在電磁兼容的EMI 特性優化設計進行了電路板優化設計，避免了產品在出現不合格時通過外部增加器件進行整改，影響產品的結構、可靠性和生產。同時，確保電路電磁兼容性能也能保持電路的較高效率，對此類電路的設計和應用有工程化設計參考價值。