D类功放

对于D类功放，大家已经谈了很多，但是目前市场上真正能够商用的电路并不多，虽然理论比较简单，但是要实现确实很难的，首先用于D类功放实现PWM调制信号的三角波的频率是300KHZ-400KHZ左右，后端的LPF就不可避免的存在EMI的问题，另外一个问题就是PWM控制的晶体管的开关特性不可能是理想的开关，所以起效率只有接近100%，一般好的可以达到90%以上。一般的D类功放都采用PWM反馈信号来达到整个系统的稳定，所以后端滤波器是一个对整体性能起决定作用的部分。 Philips去年推出的TDA8920TH-D类功放放大器就是一个单片的放大器，另外还有由TDA8929T（控制器完成PWM调制）+TDA8926/8927J（放大功能）也能完成同样的功能，典型的供电电压就是+25V/-25V。当失真不大于10%时的输出功率可以达到2X80W，BTL模式可以达到140W的输出功率，完全可以满足HI-FI的要求，目前广泛应用在汽车电子，DVD/VCD，多功能演播系统中，以及工业通讯中的扬声功能等等 D类功放确实存在信号失真较大的问题，但是PHILIPS现在推出的TDA8920TH确实在这个问题上有了很大的改进，在保证大输出功率的情况下（50W），失真THD可以作到小于0.5%,这个我们是实际测试过的。 D类功放中的功率晶体管工作在开关状态，又称作数字功放。D类功放的效率高达80 %至90 %以上，使用时基本不需要散热器，或者只需要一片很小的散热器，但是它的保真度和A类及AB类功放相比则大为逊色。理想的功放是保真度高，同时效率也高。目前多个音响论坛中很难找到数字功放（D类）的线路图，关于这类功放的文字介绍也非常少 类音频功率放大器的研究 摘要：D类音频功率放大器具有高效、节能、数字化、体积小、重量轻的特点，本文通过对D类音频功率放大器的进一步研究和调试结果，明不久D类音频功率放大器将取代模拟音频放大器的必然趋势。 关键词：D类音频功率放大器；音视频；数字化；D/A转换、PCM；PWM评估模块 我们从1999年开始研究D类音频功率放大器，分析国外研究机构关于D类音频功率放大器研究技术资料后确定了研究技术关键，结合我国现状研究D类音频功率放大器。经过多次分析、试验、设计、修改、调试，于2003年初研究成功，并制作了50W、100W、500W、1000W、2000W五台原理样机，经过检测、试听，效果十分满意。 一、 研究目的 论证D类音频功率放大器研究的必要性和重要性，解决D类音频功率放大器的技术关键，用商业化通用器件，完成D类音频功率放大器设计及样机制作，为D类音频功率放大器的开发提供技术条件。 二、 研究 1、 音频功率放大器研究的必然趋势 全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求，迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。它应该具有工作效率高，便于与其他数字设备相连接的特点。D类音频功率放大器是PWM型功率放大器，它符合上述要求。 近几年，国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发，并取得了一定进展，几家著名研究机构及公司已试验性地向市场提供了D类音频功率放大器评估模块及技术。这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点，引起了科研、教学、电子工业、商业界的特别关注。不久的将来，D类音频功率放大器必然取代传统的模拟音频功率放大器。 2、 模拟音频功率放大器效率低 几十年来在音频领域中，A类、B类、AB类音频功率放大器一直占据“统治“地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器输出到OTL、OCL、BTL形式过程。其基本类型是模拟音频功率放大器，它们的最大缺点是工作效率太低，A类音频功率放大器的最高工作效率为50%，B类音频功率放大器的最高工作效率为78.5%，AB类音频功率放大器的工作效率介于二者之间。无论A类、B类、AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会更低，播放动态的语言、音乐时的平均工作效率只有30%左右。模拟音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器必须有足够大的散热器。例如，一台额定输出功率100W的A类音频功率放大器需要有100W的散热器；一台额定输出功率1000W的B类音频功率放大器需要有400W的散热器。因此，A类、B类、AB类音频功率放大器效率低、体积大。为此，人们曾经努力想设计出效率高的音频功率放大器，如G类音频功率放大器，但其最高效率仍然不大于78.5%，且实际使用效率仍然很低。因此，模拟音频功率放大器效率低，所需散热器大、笨重，不符和当前节能环保的要求。 3、 D类音频功率放大器效率高 为了提高音频功率放大器的效率，科技人员曾进行了多年研究，做了大量的研究试验工作。早些时候人们已经论证了D类音频功率放大器的存在。D类音频功率放大器不同于模拟音频功率放大器，它具有全新的结构方式，是PWM开关脉冲功率放大器。D类音频功率放大器由六部分组成： 1、 PCM——PWM转换器 2、 PWM调制器 3、 A/D转换器 4、 脉冲推动器 5、 脉冲功率放大器 6、 功率低通滤波器 D类音频功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器，然后经功率低通滤波器带动扬声器或其它设备。当输入PCM数字信号时，数字信号经PCM——PWM转换器转换成PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器，然后经功率低通滤波器带动扬声器或其它设备。当然，输入模拟信号时，也可以先经A/D转换器将模拟信号转换为PCM数字信号，再由PCM——PWM转换器转换成PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器，然后经功率低通滤波器带动扬声器或其它设备。 由于D类音频功率放大器只工作在“0、1”状态，其功率开关器件要么导通要么截止，不在放大区“停留”，因此功率损耗极小、效率极高（效率可高于96%）。所以D类音频功率放大器是高效、节能、数字化音频功率放大器。但是，早些时候晶体管、集成电路的开关特性差，不能满足D类音频功率放大器的技术要求。因此，对D类音频功率放大器的研究开发遇到了相当的困难，研究开发一直停留在理论上。近几年，出现了VMOS管、IGBT器件，它们的开关特性好、开关速度快、工作频率高、管压降小、功耗低，很适合用于D类音频功率放大器的研究开发。所以，近几年D类音频功率放大器研究开发有了突破性进展。 4、 D类音频功率放大器是音视频领域数字化的关键 音视频领域的数字化进展迅速，从数字化音源到数字化处理技术日趋完善。音频数字化的格式、编解码规则、数字压缩技术、纠错技术、数据记录传输及重放技术、多路信号编解码技术等已形成比较完善的体系，它们广泛地应用在LD、CD、VCD、DVD、DV和DTV等方面，并取得了良好效果。目前，在小信号范围内音频系统已经实现了“数字化”，但在大信号功率范围内仍然使用着模拟音频功率放大器。因此，音频功率放大器数字化是整个音频领域数字化的最后疆界。D类音频功率放大器是数字音频功率放大器，而且可在大功率范围内使用，因此加强对D类音频功率放大器的研究开发才能使音视频技术领域完全数字化。 5、 国内外研究状况 国外几家公司在D类音频功率放大器的研究开发方面取得了一定进展，他们为了提前占领数字音频功率放大器的市场，用他们自己研制的专用IC及器件，采用专门技术做成“评估模块”，如：LM4651、LM4652组合（170W）D类音频功率放大器；CS44210、IRCS8001组合（50W）D类音频功率放大器；Tripath Technology 公司推出的“T类音频功率放大器”；Microsemi 公司推出LXE1710评估套件，且声称他们采用了不同于D类音频功率放大器的技术，但经分析研究，我们认为，这些音频功率放大器是D类音频功率放大器的派生。目前国外以“评估”形式销售专用器件供开发商使用，商业化D类音频功率放大器产品很少，偶见D类音频功率放大器上市，而且价格昂贵。 国内有几家公司正在研究开发D类音频功率放大器，但大多采用的是国外“评估件”、专用IC，开发成本高，如：成都天奥集团投资45万人民币在其博士后工作站研究D类音频功率放大器，但目前仍处在研究中小功率阶段。我们研究的D类音频功率放大器能适应低、中、高压电源供电，能输出中功率、大功率及超大功率，所以我们对D类音频功率放大器的研究在大功率领域处于国内领先地位。 三、 研究成果 1、 完成了D类音频功率放大器理论分析、数值计算、电路设计。 2、 验证了所设计电路的正确性、可靠性，并解决了所有的技术关键。 3、 样机规格： 样机 参数 (额定功率) 供电电压 (V) 输出阻抗制作了多型原理样机,验证了该设计技术应用的灵活性和“技术再现性”。主要技术参数如下： (欧姆) 平均工作效率 重量 (kg) 几何尺寸 (cm*cm*cm) 100W 36 4 计算值＞90% 0.2 13*7.5*2.5 500W 300 48 计算值＞90% 1.0 19.5*16*6 1000W 300 24 计算值＞90% 1.5 25.2*19*7 2000W 300 12 计算值＞90% 失真： 动态范围：大于96dB 频率响应：20HZ——20KHZ ±2dB 2.5 25.2*19*7 波形观测及主观感受其失真低于B类音频功率放大器，且“互调失真”特别小。 4、 D类功放样机与B类功放样机的对比 项目 1000W 额定功率 满载连续输出功率1000W 动态音乐输出平均功率400W 材料成本 效率 散热功率 平均效率 散热功率 B类功放样机 72% 389W 50% 400W 高 D类功放样机 94% 64W 92% 35W 低 5、 实际试听效果： 用100WD类功放样机在室内播放音乐和用1000WD类功放样机在广场播放音乐试听，主观 感受：动态范围宽，瞬态响应好，“爆发”力强，高、中、低音层次清晰，信噪比高，总体效果优于同功率B类模拟音频功率放大器。 四、 结论 该Ｄ类研究：设计理论坚实，设计合理、，技术成熟，自主知识产权。由于设计、样机使用了通用元器件及材料，其成本低、电路设计巧妙、调试简便。所以，已具备开发Ｄ类功率放大的技术条件。D类功率放大器用途广泛，开发前景良好。 email xiaozy@tom.com