單端輸出D類音頻功放的“電源泵”問題

單端輸出的D類功放存在一個(gè)比較特別的現(xiàn)象，電源電壓會(huì)隨著負(fù)載功率的升高而增大。這種現(xiàn)象被稱為“電源泵”，它會(huì)令一些不熟悉電路的工程師感到困惑。如果不對(duì)“電源泵”加以控制，較高的電源電壓會(huì)因?yàn)槌^了功放及電源電容的額定最大值而導(dǎo)致器件永久性損壞。本文討論了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因以及解決方法。

理解“電源泵”產(chǎn)生原理

“電源泵”現(xiàn)象通常出現(xiàn)在以低頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)低阻(如揚(yáng)聲器)負(fù)載的放大器電源上。因?yàn)檫@些電源(線性穩(wěn)壓源)的輸出通過二極管整流，它們無法在正電源輸出端吸收電流或在負(fù)電源輸出端供出電流。

圖1所示線性電源為差分輸入的立體聲D類放大器(例如MAX9742或其它供應(yīng)商的類似器件)供電。當(dāng)揚(yáng)聲器輸出擺幅在正弦信號(hào)負(fù)半周達(dá)到“地電位”以下時(shí)，電流通路的流向如圖中箭頭所示，流入電源輸出端。

圖1. 在正弦輸出的負(fù)半周，電流按照箭頭方向流入D類放大器的輸出端

由于器件是D類放大器，在節(jié)點(diǎn)A輸出信號(hào)將在VDD與VSS之間擺動(dòng)：當(dāng)MOSFET M1導(dǎo)通時(shí)，輸出被拉至VDD；當(dāng)MOSFET M2導(dǎo)通時(shí)，輸出被拉至VSS。圖中箭頭表示的電流流向分別對(duì)應(yīng)于M1導(dǎo)通或M2導(dǎo)通的情況。M2導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)通過M2、D2返回到電源端。M1導(dǎo)通瞬間，電流將通過M1，在D1產(chǎn)生反偏，并對(duì)C1充電。從而使VDD幅度升高。

圖2所示波形為圖1電路的供電電源、單端立體聲驅(qū)動(dòng)下的揚(yáng)聲器波形。VDD和VSS為±15V，電源電容為1000μF，輸出負(fù)載為4Ω電阻，輸出信號(hào)頻率為20Hz。

圖2. 這些波形由圖1電路測試得到，從這些波形可以看出電源泵效應(yīng)，t1到t2對(duì)應(yīng)于輸出波形的負(fù)半周(底部)，導(dǎo)致VDD增大(頂部)和VSS降低(中間)

t1到t2之間對(duì)應(yīng)于輸出正弦信號(hào)的負(fù)半周期，電流流向如圖1所示。從波形可以看出：正電壓VDD (左聲道)在t1、t2之間有所提升。當(dāng)正弦輸出信號(hào)在t2時(shí)刻達(dá)到正壓時(shí)，VDD提升的電壓將從C1釋放。同時(shí)，VSS (右聲道)會(huì)在正電源放電時(shí)對(duì)C2充電，使其向負(fù)向增長。當(dāng)揚(yáng)聲器電壓為負(fù)值時(shí)，VSS放電，如此重復(fù)循環(huán)。

當(dāng)器件工作在低頻時(shí)，這種“電源泵”效應(yīng)會(huì)更加嚴(yán)重，因?yàn)榈皖l信號(hào)具有更長的充電時(shí)間，使更多電荷充入輸出電容，而反相周期來不及釋放這些額外電壓。電源電壓的升高會(huì)超出C1、C2 (或二者)以及D類功放內(nèi)部的M1、M2(或二者)的最大額定電壓，從而導(dǎo)致器件永久性損壞。

“電源泵”問題的解決方案

可以通過三種途徑解決“電源泵”問題：

1. 圖1所示IC 有兩個(gè)單端輸出，可以將其橋接在一起，提供一路差分通道，如圖3所示。這種橋接輸出信號(hào)為異相工作，因此任何一個(gè)通道產(chǎn)生電源泵效應(yīng)時(shí)，可以在另一通道抵消掉。

圖3. 按照圖中配置，可以利用IC的輸入運(yùn)算放大器配置負(fù)載橋接輸出

2. 立體聲音頻信號(hào)中的低頻分量多數(shù)屬于單聲道信號(hào)(即左、右聲道信號(hào)相同)，可以使左聲道信號(hào)與右聲道信號(hào)反向(或反之)，如圖4所示，左聲道音頻信號(hào)在輸入級(jí)反相，輸出級(jí)左、右聲道信號(hào)反相。任何一個(gè)聲道引起的電源泵效應(yīng)可以通過另外一個(gè)聲道消除，隨后，必須通過更改一個(gè)聲道(這里為右聲道)的揚(yáng)聲器連接保證同相輸出。

圖4. 為了消除電源泵效應(yīng)并保持IC的兩個(gè)聲道，將左聲道輸入運(yùn)放配置成反相器翻轉(zhuǎn)信號(hào)，然后再更換右聲道揚(yáng)聲器的連接，以保證揚(yáng)聲器輸出同相信號(hào)。

3. 使用較大的電源電容( > 1000μF)也可以幫助減低“電源泵”幅度。較大的電容可以在電源電壓“泵”較高值以前吸收更大電流，并在充電時(shí)允許更長時(shí)間的反相信號(hào)釋放電源泵電壓。

數(shù)學(xué)模型

以下公式對(duì)電源泵效應(yīng)提供了較好的逼近，為簡化分析，我們假設(shè)：

VDD = VSS，M1和M2的RDS(ON) = 0，可得：

?VDD = 1/C x A/RLOAD x [1/(2 x π) - A/8VDD] x Tsine (公式1)

其中C為VDD的旁路濾波電容(C1)，A為輸出正弦信號(hào)的幅度，RLOAD為揚(yáng)聲器電阻，VDD是正向電源電壓的歸一化值，Tsine為輸出正弦信號(hào)周期。

公式1描述了一條拋物線，峰值發(fā)生在振幅A = (2/π) x VDD時(shí)。將該式代入式1可以得到最大電源泵電壓：

?VDD(max) = [VDD/(2 x π x π)] x [Tsine/(RLOAD x C)] (公式2)

對(duì)于采用±15V供電、8Ω揚(yáng)聲器、輸出20Hz正弦信號(hào)并使用220μF電源電容的系統(tǒng)，VDD可以上升到21.6V，當(dāng)然，增大濾波電容可以減小?VDD(max)。例如，通過安裝1000μF電容，可以使最大電源泵電壓降至4.7V。

方案探討

方案1通過增加反相電路消除電源泵效應(yīng)，只需增加一個(gè)運(yùn)放，成本較低。另外，如果使用類似MAX9742的立體聲放大器，則不需要額外運(yùn)放，因?yàn)槠漭斎爰?jí)運(yùn)放可以根據(jù)需要進(jìn)行配置(參考圖3至圖4)。但是，這種方法并非總是有效，因?yàn)樗褍蓚€(gè)放大器合并成了一個(gè)。如果需要立體聲輸出，則需增加額外的MAX9742。

方案2把一個(gè)聲道的信號(hào)翻轉(zhuǎn)，用于抵消另一聲道的“泵”電壓，從而消除電源泵效應(yīng)，這種方案最有效。電路(圖4)在右聲道輸入包含一個(gè)運(yùn)放，需占用額外的PCB面積，除非使用MAX9742 D類放大器，其輸入級(jí)可以根據(jù)需要進(jìn)行配置，用于消除電源泵效應(yīng)。大多數(shù)方案都需要對(duì)PCB進(jìn)行修改，除非事先設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)考慮了消除電源泵效應(yīng)的問題。

方案3最常見但成本最高。功放設(shè)計(jì)人員通常總是在趕生產(chǎn)期限，而且既然大部分功放已經(jīng)包含了100?F至330?F的大尺寸電源電容，這種方法便成為最簡便的途徑，只要把電容增大到1000?F左右即可。

增加一個(gè)運(yùn)放和相關(guān)無源元件需要大約0.10$至0.15$成本，但一個(gè)330?F電容的價(jià)格大約需要0.10$。每路電源(VDD和VSS)安裝兩個(gè)330?F電容，材料成本將增加到大約0.40$。也可以去掉330?F電容，換成兩個(gè)1000?F電容。成本增加0.25$至0.30$。因此，增加電容會(huì)造成更高成本，但從設(shè)計(jì)人員的角度看，消除了重新設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樵龃箅娙荼刃薷腜CB增加一個(gè)運(yùn)放更容易。

雖然電源泵問題及其解決方法很容易理解，IC廠商并沒有把所有需要的電路集成在芯片內(nèi)部。設(shè)計(jì)人員采用了一些創(chuàng)新方案，例如MAX9742，其內(nèi)部運(yùn)放的差分輸入可以根據(jù)需要進(jìn)行配置(方案2)。如果IC配置不當(dāng)，其電源電壓有可能被抬高到額定電壓以上(每片IC都有其額定指標(biāo)，如果超出額定值可能造成器件永久性損壞)。方案3需要增大電源電容，而大電容可能永遠(yuǎn)無法集成到IC內(nèi)，因?yàn)槔霉璨牧霞呻娙輧r(jià)格非常昂貴，而且只能得到容值較小的皮法級(jí)而不是微法級(jí)電容。

電源泵通常發(fā)生在單端輸出、D類放大器以低頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載的條件下，這個(gè)問題雖然棘手，但是如果理解了造成該現(xiàn)象的原因，可以利用本文介紹的某種方法(使用放大器和外圍元件)將電源泵電壓降至比較安全的水平。