/ 圈囫圈固 优化D类音频放大器的输出滤波 Maxim公司Tony Doy 概述 必须驱动高阻抗负载,但当输出端直 有输出滤波器时也可以高效的驱动。D类音频放大器的最大好处是具 接连接纯阻性负载时,输出级几乎 然而,这种工作方式具有一定的局限 有比AB类放大器更高的效率,提供 100%的导通,与占空比无关。图2表 性。 高技率的基本条件是D类放大器负 示一种喇叭(如8n、1 75”锥形变送 为了驱动喇叭,必须考察在指定 载在给定开关频率下呈现为高阻抗。 器)的阻抗随频率的变化曲线,它比 或高于开关频串处的线圈阻抗,并且 图1是典型的输出波形图,输出端 较适合由MAX4295/4297放大器驱 喇叭引线较长时需额外并联容性负 OLrr+的渡形占空比是变化的,但其 动。喇叭阻抗当频率高于1MHz时开 载,抵消喇叭引线对效率的影响。当 脉冲周期是恒定的l两个波形之间断 始上升,而低于20kHz时则保持低 喇叭引线和音频线圈承载较高的dV/线表明时间周期相等)。这些脉冲的 阻。前面提到,MAX4295/4297输出 nf言号时会产生较强的高频辐射。由 电压平均值是一条缓慢变化的上升直 端能够直接驱动这种负载,喇叭音频 于开关作用将在音频线圈中消耗小部 线(囤中虚线)。因为输出端OUT一是 线圈的串联惑抗(约1O H)使得在没 分功率,尽管可以忽略频率高于 OUT一的反向信号,所以OUT一呈现 一条下降直线。如果输出端OUT+和 OUT-之间连接的负载是喇叭,那么 就可以听到慢变化信号的声音,但不 产生高频成分。 音额放大器输出是否需要采用 输出滤波电路取决于多种因素, MAX4295/4297音频功率放大器由 PWM脉宽调制器和互补MOSFET输 出级组成,在零信号输^时输出波形 占空比接近5fY ̄,/o,要获得理想效率, 在给定开关频率下输出级MOSFET 誊B・2002.4.A・誊昔j耋品t器WWW.edw.COITI.Cn 维普资讯 http://www.cqvip.com
uc , ~ \~ 500kHz的信号辐射,但是在计算所 能够承受387mA (550mAp-p)l ̄电 获得相同的阻抗。所需额定电流、直 允许的最大喇叭功率时需要考虑低频 流而不会产生饱和现象。否则,输出 流电阻不变 选择IMHz的开关频率 成份。 波形将会产生失真。选择型号为 不会对效率产生影响,但是会轻微降 PM54-470L的47 {表贴电感,它的 低失真度(THD+N)性能。IMHz频率 纯阻性负载的最简配置 额定电流为720mA( ̄[以承受需要的 下,我们选用型号为A9 14BYW。 如果负载接近纯阻性,或者高频 峰值电流0,等效电阻为0 37 Q(小 100M的l0 {电感,它的额定电流为 下呈现容性,为了获得理想的效率就 于负载的5%),不会产生大的敏率损 760mA,直流阻抗等干0.125f ̄。X-Y 必须考虑增加其它元件。例如,串联 失。电感的物理尺寸为5 8mm x 的尺寸为5mmx5mm,高度仅为 一个电感.允许通过音频信号,但对 5 2ram x 4.5ram,与QSOP封装的 2ram,不需要采用特别的装配技术。 高频信号呈现高阻特性 作为一个实 MAX4295(6.0ram x 5.0mrn x 1 5ram) 与前面提到的47BH的电感相比较, 例,考虑MAX4295通过单+5V电源 相比厚度偏高。 该电感只占用不到一半的体积。 驱动8 Q阻性负载的情况。在计算串 降低电感的安装高度可以采用 联电感时只需考虑一3dB截止频率高 在印制板上打洞或刻槽的方法,对干 输出酒}波设计 干音频信号即可.假设为30kHz,则 1.6ram厚的印制板,大约将电感的安 上述实例只考虑了最基本的操 L=8,"27tf或者8/2 ̄(30 x 10 )= 装高度减少到高出印制板2.9mm。另 作,尽量减小复杂性,对输出器件的 42.4uH 外一个方法是选择频率更高的D类 高开关频率并没有进行射频滤波处 如果我们设置D类放大器的开 放大器,用户可以选择MAX4295一 理,而喇叭引线和印制板铜箔所产生 关频率为250kHz,那么该点上器件 MAX4297四种放大器之一设置频率, 的辐射能量有可能产生较高的电磁干 的输出阻抗主要表现为感抗 其中最高工作频率等于1MHz。较高 扰。由干下述两个重要理由,我们需 XL=2 x 250xl x424X1 =6670 的频率允许减小电感量,同时也减小 要控制这种不希望产生的电磁干扰 是负载阻抗的8倍,所以在此频率下 了电感的物理尺寸 小尺寸电感的线 (EMI) 没有明显的功率消耗。 径很细,这将导致更高的直流阻抗, 1放大器在便携式仪器中使用将 选择电感时还需考虑其额定电 当然,也可采取一些改进措施。上述 会干扰其它射频电路。 流,由MAX4295的数据手册可知:采 实例中,开关频率提高4倍(从 2放大器在一些产品中需要满足 用单+5V电源时,可以在8 0茄载上 250kHz一1MHz)、电感值可相应减少 射频辐射标准(比如FCC/CE)。 输出1.2W的功率 因此,电感必须 到原来的1./4(42 4gH/4=10 6BH),可 大多数应用需要在输出端采用 …二 ——————— 。Ou 强L2 图3单端=阶滤波器 图4平衡式二阶滤波器 nI IT‘————— —、,,_、v 、 nI IT —— ,_、广、厂、n u= L2= L 2 zTV V …OUT- 斗 L 图5每个端口的等效2阶滤波皂路 图6 2阶滤波皂路.图中 L+4.7HH.C=O.047uF.RL=8ohm 1^^1■A .}卫ai,t.●_. …-。L.ku^^-_栅.●_,●■●- ……一,qK………'…'_一 一●■■■■一 维普资讯 http://www.cqvip.com
、\If与.元器停 、 。 ,/ 射额抑制滤波器,为了造到这个目 频率是192kHz。电感在低 的,在以上的单电感基础上还需增加 于60MHz频率下不会产生 电容器件,在互补输出端构成低通滤 自激,滤波器在两倍频程 波器(见图3)。当然辐射仍然存在,在 和l/2频程衰减开关噪声。 喇叭的输出端仍然可以观察到全部的 MAX4295的上升和下降时 开关电压波形。利用图4所示的平衡 间大约为30ns 二阶滤波器能够在波形到造喇叭引线 为了减小辐射,布扳 /——————~ 之前提供低通滤波特性,大大改善了 时必须尽量将电感靠近 对EMI的抑制。电路中的两个电感元 MAX4295安装,电感和电 件在开关频率下具有高阻特性,这对 容的连接线也应尽量缩短 负载和低通滤波(LP)有益。因为两个 电容的物理尺寸相对于电 电感串联在MOSFET输出端之间,我 感来说不成为问题,可选 们可以平分l0BH电感、采用两个5pH 择l6V、0.047 、表面贴 电感,保持MAX4295的1MHz工作 装的陶瓷电容 频率 选用型号为DT1608C・472的 要想严格优化滤波器 ; l 4.7BH电感,其额定电流为1 2A,直 的设计,计算时必须考虑 流电阻为O.0850,所有的指标均符 高频时的负载阻抗,另外,电容的 l%。图7则显示失真度(THD+N)与 合要求。注意:由于两个电感与负载 ESR值与电感的直流电阻值一样也 频率的关系,测量的条件是输出功率 串联,所以直流电阻将翻倍,即总的 会影响精度。 直流电阻为0.1 7 0,不足负载的2%, 为0 7w门KHz,带宽范围在22Hz一 22KHz 所以对效率的影响非常小 接下来需要选择电容,以确定滤 测试结果 图5所示的两阶滤波器选用电 结语 对于任何一种应用,设计者都可 波器的高频截至频率。仅考虑差分输 感型号为DTI608C-472,利用工作于 滤波器中的R、L值已知,只是需要出的一半电路以简化计算 二阶LCR lMHz的MAX4297的单个通路驱动 以对D类放大器的滤波器进行优化。 80负载,输人四种不同频率的2V正 经验丰富的设计者可以在以下几种互 相冲突的要求中加以权衡: 计算电容C值(见图5)。电路允许4% 弦渡时,测试效率如表1 的过载输人电压,所以选用具有最大 表J刺■舶效率 l保证放大器输出效率; 平坦度的巴特沃磁滤波器比较理想。 利用 下公式计算: C=L/(4W{ )=4.7 x 10 /(4 x 4 … -.- x r0.707 ̄)=0 146 ̄F 对于巴特沃磁滤波器{等于 l l l l l… “ 一 l 2 ,I、印制蛳而寮!.{韭昂墨仕富 l… 一。。一。’ l l 3低廉的元器件价格; l 4栅制高{颟千托 ■r范立音撼 参考文献 1 MAX4295/MAX4297数据手册 以上结果显示D类放大器比传 译) O.707,这个值可以由下列网络(数据 统的AB类放大器效率高出很多,使 手册中称为交替平衡的两阶滤波器0 用音频的高精度仪器测量三种输出频 实现:一个电容跨接两个电感、而另 率(1kHz、5kHz、10kHz)下的失真度 (美国)美信集成,厶\司 外两个电容将输出端分另 接地。使用 和输出功率的函数关系如图8,测量 三个O.04 F的电容可以简少材料种 的带宽范围在22Hz一22KHz。这个结2有源网络设计原理一Gobind Daryanani(John Wiley&Sons,Inc.), 类。每一个输出端等效电容为 果与数据手册一致。在三种频率和 1976. 0 141If(见图6)。这个滤渡器的截止0.7w的输出功率时失真度均低于 ■——I5■・2002.4.A一毒普矗矗t暮www.edw.com.cn
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