消费者们越来越在意其购入的音频设备的便携性、智能程度和时尚性,不管是最近华为与GENTLE MONSTER联名推出的智能眼镜耳机,还是苹果公司新上市的头戴式耳机,都在佐证这一消费趋势。这些新一代的音频设备对功耗要求越来越高,而D类音频功率放大器和其他几类放大器相比,是电源效率最高的,而且MOSFET的发展也促进了D类音频功率放大器的发展。数字D类音频功放相比于传统D类功放,更适应于数字化时代,但是失真较大,所以需要研究更有效的算法来提高数字D类音频放大器的性能。
2017年,Zhu Liang设计了一种基于FPGA的数字D类音频功率放大器,研究了数字D类功放调制算法,改善了数字D类功放调制谐波失真加大的缺陷,并提高了数字D类功放电源效率。
二、主要电路硬件设计工作原理图及元器件参数【D类功放系统框图】
元器件主要参数
ADC采样:AD9280芯片,最大采样率=32MSPS
电源电压15V
MOS管驱动芯片:IR2181S芯片
移位电平中MOS管:BSS138
二极管:MUR360
LC低通滤波器:C=1uF/0.68uF;L=22uH/47uH
【pwm调制电路】
FPGA输出的数字PWM驱动型号可以靠添加两个移位电平来增强。直流电源V15、电阻R13、MOSFET晶体管M13组成的移位电平和MOSFET晶体管M14、电阻R11、直流电源V14组成的移位电平可以放大PWM波,增强MOS管驱动能力。
这里MOS管选用的是BSS138,Vds=60V,ID=0.25A,具有输入电容小、关断延迟时间短等优点。
可选用的MOS管型号:
①BSS138
②VB162K
③VBK162K
④VBK362K
【适用的VBsemi微碧半导体MOS管型号参数】
【MOS管驱动电路】
MOS管的驱动电路采用IR2181S驱动芯片,可以实现只用两颗芯片即可驱动全桥电路,同时,芯片也兼具电磁隔离和光耦隔离的优点。
【H桥功率输出电路,低通滤波电路】
系统中使用了4阶LC低通滤波器,它加速高频信号的衰减,提高D类功放器的功放效率,其中的电容采用无感电容,电感采用工形屏蔽电感,降低了电磁干扰(EMI)。
功率输出电路中的功率场效应管的耐压Vdss决定了音频功放的功率,导通电阻RDon决定了音频功放的效率,此处可以选用VBsemi微碧半导体的NMOS管型号VBE1101N,其VDS=100V,ID=85A,拥有极低的导通电阻RDSon=7.5mΩ。
可选用的mos管型号:
①VBE1101N
②VBE1102N
③VBE1105
④VBZM20N10
⑤VBM1102N
【可选用的VBsemi微碧MOS管产品参数】
实际应用中,应在各模块中加入去耦电容,以防止电源抖动;数字地和模拟地之间用0Ω的电阻相连,可以降低信号干扰。
三、微碧半导体MOS管封装及应用
微碧半导体企业主要产品的封装有:SOP-8 、TO-220(F)、TO-263、TO-247、TO-252、TO-251、SOT-23、SOT-223、SOT-89、QFN、AO3400、IRF540、IRF540N等系列封装产线。
【微碧部分MOS管产品封装】
广泛应用于3C数码、安防设备、测量仪器、广电教育、家用电器、军工/航天、可穿戴设备、汽车电子、网络通信、物联网IoT、新能源、医疗电子、照明电子、智能家居、电脑主板显卡、MID\UMPC 、GPS、蓝牙耳机、PDVD、车载DVD、汽车音箱、液晶显示器、移动电源、手机电池(锂电池保护板)、LED电源等产品。微碧半导体有限公司以饱满的激情,拼搏务实的干劲,不断创新进取,致力于为客户群体打造出一座高效、便捷、直通、优质的服务桥梁。
四、参考文献
[1]朱亮. 基于FPGA的D类音频功率放大器的设计[D].西安电子科技大学,2017.
[2]王宇星.3W无滤波D类音频功率放大器设计[J].固体电子学研究与进展,2015,35(06):591-596+607.
[3]高爱国,蒋宇中,李开锋.D类放大器的随机脉宽调制技术研究和分析[J].通信技术,2010,43(06):4-6.
[4]冯玮,李洪革,张有光.应用于D类放大器的新型混沌频率调制电路[J].北京航空航天大学学报,2009,35(05):559-562.