D類音頻功放在使用中效率與干擾 - 全文

　　由之前 ”如何評估D類音頻功放的動態(tài)效率” 的討論，如果Poq代表輸出功率Po與靜態(tài)消耗功率Pq的比，Emos代表輸出功率晶體管的效率且Eff代表總效率，則總效率：

　　Eff = （ Poq x Emos ） / （Poq + Emos ）

　　以上公式說明Poq対總效率的影響與輸出功率晶體管的效率Emos対總效率的影響程度一樣，所以靜態(tài)消耗功率Pq或靜態(tài)消耗電流Iq在評估總效率時需列入考慮。

　　圖一

　　圖一顯示兩個立體聲D類功放的Eff曲線，這兩個功放的電源是12V且輸出晶體管的效率Emos都是0.8，曲線A功放的靜態(tài)電流是10mA而曲線B功放的靜態(tài)電流是25mA。由于是立體聲所以每個單一聲道的靜態(tài)電流只有一半，亦即曲線A靜態(tài)電流是5mA而曲線B則是12.5mA。由圖標(biāo)可知在低輸出功率或輸出功率大約為最大輸出功率的10%以下時曲線A的總效率明顯優(yōu)于曲線B。曲線A是TMPA430DS在12V及8ohm電阻負載的Eff曲線。

　　圖二

　　圖二顯示兩個立體聲D類功放的Eff曲線，這兩個功放的電源是5V且輸出晶體管的效率Emos都是0.9，曲線C功放的靜態(tài)電流是5.6mA而曲線B功放的靜態(tài)電流是10mA。所以曲線C每聲道靜態(tài)電流是2.8mA而曲線D則是5mA。由圖標(biāo)可知兩曲線的優(yōu)劣與圖一相當(dāng)，低的靜態(tài)電流有高的總效率Eff。曲線C是TMPA3155DS在5V及8ohm電阻負載的Eff曲線。

　　圖三

　　圖三也是顯示兩個立體聲D類功放的Eff曲線，曲線F與圖二的曲線D是同一個功放，曲線E與圖二的曲線C除了晶體管的效率只有0.85以外其它條件都一樣。圖三顯示曲線E雖然晶體管的效率只有0.85低于曲線F的0.9， 但由于曲線E的靜態(tài)電流是2.8mA比曲線F的5mA要低所以在輸出功率小于0.18W以下曲線E的總效率反而高，這強調(diào)了低的靜態(tài)電流對總效率Eff的影響。

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　　在評估總效率時并不需要考慮輸出晶體管在切換時的切換損失（switching loss）。在D類功放IC設(shè)計的時候為了避免輸出功率晶體管在切換的時候產(chǎn)生短路電流（short current）或貫穿電流（through current），輸出功率晶體管在切換的時候會保留一個暫息區(qū)（dead zone），所以任何一個輸出端的PMOS在導(dǎo)通之前其相對應(yīng)的NMOS需先完全關(guān)閉，反之亦然。所以基本上輸出NMOS晶體管并不會造成切換損失。但是輸出PMOS晶體管在導(dǎo)通期間會對輸出端所呈現(xiàn)的電容充電，這電容包括IC內(nèi)的打線墊（bonding pad）電容，輸出晶體管的汲極（drain）電容及其它雜散電容。這充電的電容會在NMOS導(dǎo)通時放電而這消耗掉的功率已經(jīng)算在靜態(tài)電流或靜態(tài)損失里頭。如果BTL的兩端是全対稱的，接上負載時靜態(tài)電流不會增加，如果靜態(tài)電流增加就是負載有電容成分。

　　由于效率的關(guān)系，功放在推動喇叭的時侯會產(chǎn)生熱而使溫度上升，溫度上升會造成輸出晶體管導(dǎo)通效率Emos變差而使總效率下降，所以對大功率或效率較差的功放適當(dāng)?shù)纳崾潜匾摹Ｈ绻鸇類功放的電壓増益由前置電路決定而非由輸出端回授，在溫度上升的時候由于輸出晶體管導(dǎo)通效率Emos變差輸出訊號會隨著溫度的上升而縮小，縮小的幅度由輸出晶體管導(dǎo)通效率Emos與負載的大小決定。由于輸出晶體管的導(dǎo)通電阻增加了所以輸出電流減小，電源的電流也隨著降低。如果D類功放的電壓増益由輸出端回授，在溫度上升的時候由于輸出晶體管導(dǎo)通效率Emos變差，為了維持電壓增益功率放大器要維持輸出訊號的大小所以產(chǎn)生更多的熱，當(dāng)然電源的電流也隨著上升。

　　為了降低電磁干擾（EMI）輸出端需要加磁珠（BEAD）濾波，磁珠后頭的濾波電容通常使用1nF，輸出的PWM訊號每個周期対此電容充放電一次，以5V電源及250KHz的工作頻率而言每個電容所產(chǎn)生的靜態(tài)電流為

　　I = CVF = 1nF x 5V x 250K = 1.25mA

　　BTL輸出的立體聲功放有4個輸出端或4個輸出濾波電容，所以加了EMI濾波之后靜態(tài)電流就增加了5mA。由上述公式可知，選用較低工作頻率的功放或較小濾波電容可以減少靜態(tài)電流的增加。

　　AB類音頻功放也是在高輸出功率的時候有高效率，實際最高效率大約65%，所以D類音頻功放的效率即使可高達90%但在大功率輸出時相對于AB類功放其節(jié)省的功率只有總消耗功率的25%。即使如此這兩個效率在散熱處理確相差很大。如果兩種功放都消耗20W的能量，D類功放輸出18W的功率而產(chǎn)生2w的熱但是AB類功放輸出13W的功率而產(chǎn)生7w的熱，如果AB類功放要輸出18W的功率產(chǎn)生的熱就高達9.6W。2W的散熱使用一般平價的封裝即可達到但9.6W的熱就要耗掉散熱成本及空間。在使用上音頻功率放大器并非隨時使用在最大功率，以最大輸出功率為3Ｗ的D類音頻功放而言如果輸出功率0.5W或1W，依公式計算效率已經(jīng)高于86%或88%。以最大輸出功率為3Ｗ的AB類音頻功放而言如果輸出功率同樣是 0.5W或1W 其效率只有25%及37%。所以D類功放與AB類功放的使用效率比大約3倍，輸出功率越低效率相差越大，D類功放的效率遠優(yōu)于AB類功放的效率是在半功率輸出以下才更明顯。如果音頻內(nèi)容是音樂訊號則大部分時間都在低輸出功率，效率上D類功放比AB類功放好很多。如果音頻內(nèi)容是間歇性的譬如新聞播報，則間斷的時間相對的長。間斷的時侯只消耗靜態(tài)功率，以同樣標(biāo)示3W輸出的功放，D類功放的靜態(tài)消耗功率只有AB類的10% - 20%。實驗數(shù)據(jù)顯示D類功放使用電池播放音樂時，電池的使用時間比AB類要長5倍以上。

　　D類功放在使用上最大缺點是產(chǎn)生干擾訊號，由于D類功放的輸出訊號是大電流快速切換的脈波，干擾訊號強且干擾的諧波頻率寬而容易造成接收機收訊不良等缺點。干擾方式主要來自接線傳導(dǎo)或幅射，避免接線傳導(dǎo)可以在接線串接磁珠及濾波電容以過濾高頻諧波，至于低頻諧波干擾則可使用LC輸出濾波器，但電感的寄生電容要小以避免高頻干擾穿出電感。如果接收機與功放擺在同一個PC板則電源及鋪地要隔離，最好在電源端就分開或個別供電。至于輻射干擾，接收機的天線端與功放的輸出端或走線各放在PC板的兩邊以增加距離，天線擺設(shè)的方向要與D類功放的輸出訊號跑線互相垂直使天線的接收效率降到最低。功放輸出引腳在PC板上的引線或喇叭線越短越粗越好以降低天線效應(yīng)亦即降低天線輻射效率而減少電磁幅射。如果機構(gòu)設(shè)計或立體聲的關(guān)系需要使用長的喇叭線最有效防止輻射的方法是使用含隔離線的喇叭接線，隔離線在PC板的這一端接地在喇叭的那一端懸空，實驗證實這種屏蔽方式使用在TMPA3155/3156有相當(dāng)程度的改善。另外較大體積的含金屬組件適當(dāng)?shù)臄[置也可以屏蔽一些幅射訊號。由于干擾訊號來自PWM的切換，較低的工作頻率或PWM頻率可以線性的降低干擾能量。震一科技的D類功放的工作頻率除了特殊考慮外大多設(shè)定在250KHz，除了EMI的考慮外還可以降低之前提及的EMI濾波電容所造成靜態(tài)電流的增加。