为什么静态电流在D类放大器中如此重要？

原创 EETOP 2022-12-09 11:57

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本文你将了解到：

回到过去（1970 年代）， Phase Linear 700这样的音频放大器是用分立功率晶体管元件设计的。巨大的音频功率晶体管，如2N3055和其他当时被配置为驱动大型音频功率输出，驱动大型音频扬声器。摇滚乐队曾经把干冰放在这些具有传奇色彩的350瓦/通道的放大器堆上，为它们降温。

快进到2022年，我们发现音频设计工程师喜欢D类放大器的功率效率。D类放大器的性能优于任何A类、B类或AB类线性放大器架构。对于后者的放大器，由于偏置元件和输出晶体管的线性操作，将出现显著的功率损耗。

D 类放大器在音频电路中用作将电流引导至音频负载的开关。因此，输出级仅损失少量功率。

D 类放大器中以热量形式耗散的功率损耗是由输出晶体管的静态电流开销、开关损耗和导通电阻引起的。这些放大器可以使用更小的散热器——甚至没有散热器。因此，D 类放大器非常适合高功率、紧凑的设计。

在设计的早期，与线性放大器相比，基于经典脉宽调制(PWM)的D类放大器的功率效率优势受到了外部滤波器元件成本、EMI/EMC兼容困难和总谐波失真加噪声（THD+N）性能差的阻碍。现在，最新一代的D类放大器采用先进的调制和反馈方法来减轻这些潜在的缺点。

当设计人员准备设计D类放大器时，他们可能应该从选择其整体系统设计的最终产品特性开始。

一些关键特性可能是响度或输出功率以及扬声器/音圈效率。有一个行业标准来指定放大器的功率水平：输出功率在1%或10% THD+N。

接下来，设计人员需要选择所选功率级别的通道数。音频行业的标准功率电平通常是1% 或 10% THD+N 的输出功率电平。指定功率级别时，请务必注意它是峰值功率还是连续功率。最有可能的设计是立体声放大器配置，因此需要创建两个通道。

静态电流 (Iq) 的典型定义是集成电路 (IC) 在空载和非开关启用条件下消耗的电流。Iq的另一个定义是 IC 在许多超低功耗状态下消耗的输入电流。

在电池供电的应用中，可能会花费大量时间处于待机或睡眠模式，静态电流可将电池的运行时间延长数年。一个很好的例子是像60nA TPS62840 这样的超低 Iq 降压转换器，用于为智能电表应用等始终开启的应用供电。在这种情况下，它可以实现10 年的电池运行时间。

通常，D类放大器将被设计成电池供电的应用。在当今的电子世界中，智能手表或家用智能锁就是一个例子。这样的设计需要:

在许多设计中，D 类音频放大器通常采用使用环路滤波器、PWM和开关功率级的闭环拓扑结构。这将有助于抑制功率级的线性度以改善 THD+N。

如果设计人员选择不使用更高阶环路滤波器或更高开关频率(f _SW )，则反馈环路引入的 PWM 残余混叠失真将限制最小THD+N。在这里，我们现在在 Iq 和 THD+N 之间进行权衡（见图）。

图中显示的是一个D类放大器的原理图和波形，有无PWM-残余混叠降低和建议的频率均衡。

该图显示了建议的PWM 残留混叠减少。该方法采用前馈路径（蓝色）和频率均衡块（红色Z _EQ）设计，使 D 类放大器能够降低其THD+N 和 Iq。图的左下角绘制了未采用所提出技术的传统二阶闭环D 类放大器的波形。

为了消除反馈电流(i _FB)中的高频分量，由调制Vin的PWM产生前馈电流(i _FF)，并将其添加到环路滤波器中(图中底部中心图像)。此外，启用了使用ZEQ的ppm剩余混叠减少功能(图中右下角)。

iFF和iFB之间的PWM转换时序对齐，以消除i _C1中的窄脉冲。这个动作进一步抑制了混叠失真。此外，i _C1中窄脉冲的缺失降低了OP1(图中最后一级)的必要偏置电流，从而节省Iq。

总结

70 年代为我们带来了出色的音频电子解决方案。不幸的是，这些设备的尺寸和功耗通常都很大且笨重。尽管如此，他们仍然可以产生高质量的音频。

在当今的电子世界中，静态电流主导着音频应用。音频设备用户想要更小、更轻，但最终性能还保持很好的音频设备。引入D 类放大器，这是实现这一目标的关键因素，尤其是在便携式和电池供电设计中。

本文介绍了如何选择 D 类放大器，以及一些规格权衡决定。最后，我们发现可以通过紧凑、轻便的设计获得出色的音频性能，并且在电池供电的情况下比以往更持久。

原文

https://www.electronicdesign.com/power-management/whitepaper/21255652/electronic-design-why-is-quiescent-current-so-important-in-class-d-amps

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