实现最佳音频性能的D类放大器设计挑战

图2：IRS2092 D类放大器IC的模块简图。

       内置式误差放大器基于优化的、带宽为9MHz的高抗噪性运算放大器，让设计者能够实现远低于0.01%的音频失真(THD)。然后，PWM比较器将模拟信号转换成传播延迟短的PWM，这让设计者能够自由地优化反馈环路。通常，一部分开关信号被反馈给误差放大器的输入端，并利用低通滤波器进行预处理。然而，可以通过拉近来自于输出端的反馈之间的距离来降低失真和负载依赖度。IRS2092让设计者能够从任意被认为是最佳的点获得反馈和增加稳定性补偿，从而实现发烧友级谐波失真和噪声(THD + N)性能。

       高压电平移位器将接地参考数字信号转换成以高端和低端MOSFET的各个源为参考的栅极驱动信号，从而无论各端存在着怎样的电压差异都能够准确地转发PWM信号，正如理想的差分放大器那样。获得专利的结隔离法能够防止输出电路产生的噪声干扰输入信号。

       在栅极驱动级的各个导通状态之间插入死区时间，以便防止高、低端MOSFET内同时出现导通状态。事实上，IRS2092让设计者能够根据所选MOSFET选择死区时间的长短。保证期限让设计者免去了评估最差情况的环节。

       跟分立式解决方案不同，IRS2092中内置了过载保护，可以监测输出电流，并且如果超过了预定的阈值，还可以关闭PWM。

       其它与功率变换级设计关系紧密的重要放大器特性包括消除脉宽调制器产生的EMI的措施，以及用于在启动和关闭过程中降低开关噪声的电路。通过在内部实现这些特性，IRS2092进一步降低了设计开销和元件数量。这种方法解决了与D类放大器有关的功率电子设计挑战，为工程师应用专业音频技巧进一步提升性能打下了基础。

 

实际的集成式放大器

       为了给设计者提供进一步的帮助，IR证明这种方法也适用于120W双通道半桥参考设计IRAUDAMP5。在利用IRF6645 DirectFET MOSFET驱动4Ω扬声器负载内的2x60W时，放大器在输出端实现了极低的THD+N(0.005%)。并且，在120W下实现了96%的通道效率。参考设计可以为选择反馈(来自于功率输出级)通道内所需的外部集成器元件和RC滤波器元件提供指导。并且，还提供了全部所需家用电源、优化的板布局、PCB制造详情和物料清单。设计无需散热器即可在1/8连续额定功率下正常运行，并且输出功率和通道数量均可扩展。

       音频放大器设计的另一个重要方面是保证启动和关闭规程的正确性，防止这些间隔期间出现的瞬态通过输出扬声器产生听得到的开关噪声。传统地，通过插入只有在启动瞬态通过之后将扬声器与音频放大器连接到一起，并在关闭放大器之前断开扬声器连接的串联继电器来将这些瞬态摒除在扬声器之外。由于IRS2092集成了开关噪声消除功能，所以IRAUDAMP5无需任何串联继电器即可断开扬声器，防止产生听得见的瞬态噪声。

单封装D类放大器

       利用这种方法，下一级集成是在相同的封装内添加针对数字音频应用进行了优化的功率MOSFET，以及PWM控制器、栅极驱动器电路和集成式保护特性。IR的最新PowIRaudio系列集成式功率模块实现了这一目标，让设计者能够为面向高性能高保真音响、家庭影院系统和汽车音响等应用的高效放大器进一步减少元件数量，并且将电路板尺寸缩小了70%之多。

       该系列的4款PowIRaudio器件包括IR4301M、IR4311M、IR4302M和IR4312M，支持35W/4Ω~130W/4Ω全桥和半桥拓扑，让设计者能够配置2.1通道、5通道、6通道和7.1通道应用。这些器件具有很宽的工作电压范围，IR4301/4302和IR4311/4312的工作电压分别高达62V/±31V和32V/±16V。该系列共有的其它重要特性包括过流保护、热关断、内部/外部关断和浮动差分输入。IR4302和IR4312还具有芯片检测功能。

       利用这些器件，设计者可以构建面向典型音乐回放应用的放大器，其无需机械散热器并且能够实现出色的音频性能，例如THD+N低至0.02%。控制器IC的高抗噪性保证在各种环境条件下均能实现可靠操作。这些器件采用散热型PQFN封装，尺寸为5mm x 6mm(IR4301/4311)和7mm x 7mm(IR4302/4312)，因此实现了IR高级D类组合封装解决方案优势最大化。

       为了帮助完成定制设计，共提供了6个参考设计，利用了采用单端和独立电源配置的IR4301和IR4302，以及采用单端电源的IR4311和IR4312。这些设计面向35W、70W、100W和130W应用，包括带和不带散热器的配置。采用IR4302、面向100W双通道无散热器放大器的IRAUDAMP17参考设计如图3所示。