基于NBDD的高效數字音頻功率放大器設計

摘 要：數字音頻功率放大器具有體積小、重量輕、可靠性高的特點，但其并非工作在理想狀態下。為進一步提高數字功放的效率，通過將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)脈寬調制技術引入數字功放的脈寬調制設計，并將Dead-Time技術引入開關放大器的設計中，提出了高效數字音頻功率放大器的優化設計方案，從而提高了整機的失真度指標，降低了低通濾波器設計階數、改善了信噪比。

關鍵詞：數字音頻功率放大器； NBDD； Dead-Time； 開關放大器

中圖分類號：TN727-34文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)01-0175-04

Design of High Efficiency Digital Audio Power Amplifier Based on NBDD

TANG Xiong-hui

(Hunan People"s Broadcasting Station 201 Department, Xiangtan 411102, China)

Abstract： The digital audio power amplifier has the characteristics of small volume, light weight and high efficiency. In order to improve the SNR and reduce the order of low bandpass filter, an optimized design scheme of high efficiency digital audio power amplifier is introduced through adopting NBDD technology to PWM design, and applying Dead-Time to switching amplifier.

Keywords： digital audio power amplifier; NBDD; Dead-Time；switching amplifier

0 引 言

近年來，隨著數字化優勢的體現［1］，很多尚未數字化的領域正在逐步加入到數字化的行列中來。數字化處理后的語音信號在到達模擬功率放大器之前，必須進行D/A轉換，以便被功率放大器放大，因此從完全數字化的進程看，功率放大器數字化模式勢在必行。

功率放大器通常根據其工作狀態分為5類：即A類、AB類、B類、C類［2］和D類［3］ 。其中，前4類均可直接采用模擬音頻信號直接輸入，放大后將此信號用以推動揚聲器發聲。D類放大器比較特殊，它只有通和斷兩種狀態［4-5］，因此它不能直接輸入模擬音頻信號，而是需要將信號進行某種變換后再放大。

數字音頻功率放大技術就是采用了全新的放大體制，功放管工作于D類開關狀態，與傳統模擬功放相比，具有體積小、功率大［6］，與數字音源無縫結合、能有效降低信號間的傳遞干擾、實現高保真等優勢，具有廣闊的發展前景。

本文提出了高效數字功率放大器的優化設計方案，將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)［7］脈寬調制技術引入數字功放的脈寬調制設計中，降低了低通濾波器設計階數、改善了信噪比；通過將Dead-Time(死區時間)技術引入開關放大器的設計中，減小了開關放大器的串通損耗和漏源電容損耗。

1 優化方案實現原理

此方案采用的是兩個獨立的通道，可單獨、同時完成信號的數字處理和功率放大，并可橋接成一個通道進行信號的數字處理和功率放大［8-9］。每個通道工作在半橋工作模式下，又可橋接成全橋工作模式進行工作。其實現原理如圖1所示。

輸入的模擬音頻信號首先經隔離放大器進行放大，同時進行低通濾波。低通濾波器采用的是二階Butterworth低通濾波器，截止頻率為37 kHz，3 dB帶寬為22 kHz。濾波過后的信號與反饋回來的音頻信號一起送到誤差放大器進行誤差放大，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調制器，進行NBDD調制產生PWM信號。載波信號是由三角波發生器產生的高線性度的模擬三角波信號，頻率為230~280 kHz可調。PWM信號插入Dead-Time后送到浮動電源和自舉相結合的驅動器進行預放大，放大了的PWM信號驅動由場效應管組成的半橋開關放大器進行功率放大，輸出功率PWM信號。經開關放大器放大的PWM信號被采樣作為反饋信號送到誤差放大器。功率PWM信號送到低通濾波器還原出模擬音頻信號。當需要橋接單通道輸出時，只需在兩半橋輸入端送入等幅反相的音頻信號，并將負載接于兩半橋輸出端即可。為了增加模塊的可靠性，設計時同時考慮了各種誤操作對模塊造成的損壞，并提供了故障指示功能，幫助整機及時準確查找問題，便于模塊進行維修。

圖1 高效數字功率放大器原理圖

2 NBDD調制技術的實現

NBDD調制技術的具體實現如圖2所示。

圖2 NBDD調制技術實現框圖

輸入的模擬音頻信號首先經隔離放大器進行放大，再與反饋回來的音頻信號一起送到誤差放大器，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調制器，進行NBDD調制。載波信號是由三角波發生器產生的高線性度的模擬三角波信號，頻率為230~280 kHz。

此處的重點在于實現高線性度的三角波發生器和高速比較器。三角波的非線性會直接影響PWM調制器的線性度，整機的失真度；為了能良好的還原音頻，PWM開關頻率不能低于200 kHz，因此需要采用高速比較器。調制方式不僅影響到音頻帶內的性能指標，而且對放大器系統的高頻輻射性能(EMC)有著決定性的影響。因此從音頻輸入至脈寬編碼完成鏈路上，所采用的音頻放大器、誤差放大器應具備高的輸入阻抗、低的工作電流、寬的增益帶寬、快的上升速度、良好的共模抑制比、低的漂移電壓等技術指標；比較器應具備響應速度快、功耗低、輸入偏移電壓小等特點。

3 引入Dead-Time的開關放大器優化設計

開關放大器的主要特點就是高效，因此其優化設計主要應體現在進一步減小各類損耗，真正體現其高效率的特點。

通過串通損耗產生的原理，可以在柵極驅動電壓上想辦法，在上管完全截止后再讓下管開始導通，在下管完全截止后再讓上管開始導通，這樣就可以減小串通損耗，同時又可以減小結電容Cds損耗。這種為了解決串通損耗而在兩驅動信號之間按“延遲導通，正常截止”的原則，加入的時間稱為Dead-Time［10］(死區時間)，原理詳見圖3。圖中分析的是工作在一個開關臂上的兩個N溝場效應管。

圖3 引入Deed-Time前后信號對比

4 各項指標測試

指標測試主要采用的是國際上通用的音頻專用測試儀Audio Precision System One。Audio Precision System One是由全球最大的音頻測試儀器制造商美國Audio Precision公司制造。

電源經電流表送到被測樣機的電源插座上；電源輸出的正、負端間并聯電壓表，電壓表和電流表分別用于測試電源輸出的電壓和電流，從而可以計算出電源輸出功率。被測樣機的音頻輸入端接音頻測試儀的音頻輸出端，功率音頻輸出端分別連接音頻測試儀和標準功率電阻，被測樣機輸出的功率信號送到標準負載上，同時送到音頻測試儀上進行分析測試。由計算機控制選擇音頻測試儀 Audio Precision System One的輸出信號頻率、幅度等特性，并選擇需要測試的指標，同時將測試結果顯示到計算機上。

4.1 功能指標測試

將模塊按正常情況進行連接。如無特殊要求音頻輸入頻率為1 kHz的正弦波，電源電壓為±120 V。測試插座XSZ的8腳，如為高電平(+SV)則表示模塊處于保護狀態，音頻輸出腳無信號輸出;如為低電平(OV)則表示模塊處于正常工作狀態，音頻輸出腳有信號輸出。

測試項目及測試情況分別為：

(1) 靜音控制：輸入靜音信號，音頻輸出腳無信號輸出，XSZ的8腳為高，模塊處于保護狀態，響應外部靜音控制；

(2) 電源過壓保護：將+120 V電源升至+128 V，負電源保持不變，模塊進入保護狀態；將-120 V電源降至-128 V，正電源保持不變，模塊進入保護狀態；

(3) 電源欠壓保護：將+120 V電源降至+100 V，負電源保持不變，模塊進入保護狀態；將-120 V電源升至-100 V，正電源保持不變，模塊進入保護狀態；

(4) 電源反接保護：將電源正負反接，模塊無損壞進入保護狀態；

(5) 電源過流保護：輸出標準負載換為2 Ω，加大輸入音頻信號幅度，當輸出功率超過2 800 W時，音頻輸出腳無信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態；

(6) 高溫保護：用高溫溫箱對模塊進行加熱，當模塊內部溫度達到+80 ℃時，音頻輸出腳無信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態；

(7) 輸出對地保護：將模塊輸出音頻腳與地短接，音頻輸出腳無信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態；

(8) 輸出短接保護：將模塊輸出音頻腳相互短接，音頻輸出腳無信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態；

(9) 保護指示：當模塊進入任一保護態時，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態。

從以上測試結果可以看出本文數字功率放大器在靜音控制、電源過壓保護及電源欠壓保護等多方面都可以滿足穩定工作的要求。

4.2 技術指標測試

音頻輸入頻率為1 kHz的正弦波，電源電壓為±120 V。用計算機控制選擇音頻測試儀Audio Precision System One的設置，根據不同的指標測試選擇測試項，測試結果如表1,圖4~圖6所示。

4.3 測試結果分析

將測試指標［11］與傳統模擬功放和國外一流數字功放制造廠家進行對比，結果如表2所示。由對比結果可以看出樣機的各項性能指標與國際知名廠家的專業功放基本一致。

圖4 1 000 W/4 Ω樣機頻響指標測試結果圖

圖5 1 000 W/4 Ω樣機噪聲低電平指標測試結果圖

圖6 1 000 W/4 Ω樣機失真度指標測試結果圖

高效數字功率放大器優化設計方案通過樣機的研制開發驗證合理可行，且實現了音頻信號高效率、高指標放大，在大功率領域的開發取得了較為理想的效果，采用NBDD脈寬調制方式，實現了高質量脈寬調制，完美再現脈寬調制波形，失真度指標高，為提高系統可靠性所采取的各種保護措施都取得了預期的效果，提高了系統的可靠性。

表1 技術指標測試表

失真度頻率(5~20 kHz)響應信噪比效率

指標要求THD+N%≤0.5%，滿功率

THD+N%≤0.05%，1/8功率<±1 dB>110 dB≥90%

實際測試情況THD+N%≤0.48%，滿功率

THD+N%≤0.03%，1/8功率<±0.8 dB>120 dB≥93%

表2 與傳統模擬功放和國外一流數字功放制造廠家對比結果

技術指標2 000 W數字功放模塊樣機德國EVP3000型模擬專業功放意大利POWERSOFT公司K6型數字專業功放

輸出功率

8 Ω2×650 W2×750 W2×1 300 W

4 Ω2×1 300 W2×1 200 W2×2 500 W

橋接輸出功率

8 Ω2 600 W2 400 W5 000 W

4 Ω3 000 W3 000 W7 200 W

失真度≤0.05%≤0.01%≤0.05%

信噪比≥120 dB>110 dB>110 dB

效率93%40%90%

5 結 語

采用NBDD調制方式對音頻信號進行脈寬調制采樣，加入Dead-Time后，再經由浮動電源和自舉相結合的驅動方式對脈寬調制信號進行放大，放大了的脈寬調制信號驅動半橋工作模式下的開關放大器進行功率放大，實現了高效率數字音頻功率放大器的優化設計，在方案設計中所采取的各種優化設計取得了一定的效果，分析計算方法合理可行。

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