不論是汽車娛樂還是家庭影院系統(tǒng)市場，消費者始終要求有更多的通道和揚聲器，每個通道還要能夠處理更高的音頻功率水平。除了更高的瓦特數(shù)，音響發(fā)燒友還不斷要求改善聲音質(zhì)量，減少失真和噪聲，以及通道之間出色的隔離效果。

但是，在多通道設計中，獨立驅(qū)動每一條通道都會消耗更多的功率、更多的元件，并占用更大的電路板空間。結(jié)果導致溫度相關(guān)設計復雜化，并且在更高的成本下聲音質(zhì)量和可靠性卻較低。

因此，為盡可能減少高性能多通道音頻系統(tǒng)的功耗和簡化相關(guān)的溫度管理，設計工程師一直希望借助能在寬輸出功率水平范圍下提供超過90%效率的高效D類音頻放大器。相比之下，適用于這個市場的傳統(tǒng)AB類放大器其效率只有50%左右，且效率會隨著輸出功率水平下降而快速下滑。同樣地，工程師還不斷研究集成式IC的效能，以減少元件數(shù)目和電路板面積。

4通道驅(qū)動器

國際整流器公司(IR)根據(jù)這種需求，把先進DirectFET功率MOSFET與創(chuàng)新的集成音頻驅(qū)動器結(jié)合，開發(fā)出一種4通道D類音頻放大器設計，其性能可與單通道解決方案相媲美。為達到這個目標，電路采用了集成式音頻驅(qū)動器IRS2093M，該器件將4個高壓功率MOSFET驅(qū)動器的通道整合到同一塊芯片上。此外，這款200V的器件包含專為半橋拓樸中的D類音頻放大器應用而設計的片上誤差放大器、模擬PWM調(diào)制器、可編程預置死區(qū)時間以及可靠的保護功能(圖1) 。除了可以防止功率MOSFET出現(xiàn)直通電流和電流沖擊，可編程預置死區(qū)時間還實現(xiàn)了功率和通道數(shù)量可擴展的功率設計。這些保護功能包括帶有自動復位控制功能的過流保護(OCP)和欠壓閉鎖(UVLO)保護。

圖1：這款200V器件除了把高壓功率MOSFETS驅(qū)動器的4條通道集成到同一芯片上，還配備了片上誤差放大器、模擬PWM調(diào)制器、可編程預置死區(qū)時間和先進保護功能。

為了在不同通道之間實現(xiàn)一流的隔離，音頻驅(qū)動器部署了已獲肯定的高壓結(jié)隔離技術(shù)和采用Gen 5 HVIC工藝的浮動柵極驅(qū)動器。這樣就在裸片上實現(xiàn)了良好的內(nèi)部信號隔離，這使得電路可以同時處理更多通道的信號，從而把每個通道的基本噪音保持在非常低的水平，同時盡可能減小了通道之間的串擾。

接著，我們建構(gòu)了如圖2所示的4通道半橋D類音頻放大器電路，它結(jié)合了集成式D類音頻控制器和柵極驅(qū)動器IRS2093M，并搭配8個IRF6665 DirectFET功率MOSFET以及幾個無源器件。該多通道音頻放大器的每個通道都被設計成能夠提供120W的輸出功率。為便于使用，該電路包含了所有必需的內(nèi)部管理電源。

圖2：這款4通道半橋D類音頻放大器設計采用了集成式D類音頻控制器和IRS2093M柵極驅(qū)動器，以及8顆IRF6665 DirectFET MOSFET和一些無源器件。

為達到最佳整體性能，IRF6665功率MOSFET特別針對D類放大器設計進行了優(yōu)化。除了提供低通態(tài)電阻，還對功率MOSFET做了改進以獲得最小柵極電荷、最小體二極管反向恢復和最小內(nèi)部柵極電阻。此外，與傳統(tǒng)的引線鍵合封裝相比，DirectFET封裝可提供較低的寄生電感和電阻。簡單來說，經(jīng)優(yōu)化的IRF6665 MOSFET能夠提供高效率和低總諧波失真(THD)以及電磁干擾(EMI)。

特性和功能

為了以更小的空間提供最高性能和可靠的設計，這個4通道D類音效放大器解決方案采用自振蕩PWM調(diào)制。由于這種拓樸相當于一個模擬二階sigma-delta調(diào)制，且D類開關(guān)級在環(huán)內(nèi)，因此在可聽頻率范圍內(nèi)的誤差根據(jù)其工作特性被轉(zhuǎn)移到不可聽頻率之上，從而降低了噪聲。同時，sigma-delta調(diào)制允許設計師執(zhí)行足夠的誤差校正來進一步降低噪聲和失真。

如圖2所示，自振蕩拓樸融合了前端集成器、PWM比較器、電平切換器、柵極驅(qū)動器和輸出低通濾波器(LPF)。盡管這種設計能夠以更高的頻率開關(guān)，但由于某些原因，它仍然以400kHz作為最佳開關(guān)頻率。首先，在較低頻率下，MOSFET的效率有所改善，但電感紋波電流上升，同時輸出PWM開關(guān)載波的漏電也會增加。其次，在較高頻率下，開關(guān)損耗會降低效率，但有機會實現(xiàn)更寬的頻寬。當電感紋波電流減少，鐵損耗就會攀升。

由于在D類音效放大器中，負載電流的方向隨音頻輸入信號改變，而過流狀況有可能在正電流周期或負電流周期中發(fā)生。因此，為同時保護高側(cè)和低側(cè)MOSFET免受兩個方向的過電流影響，用可編程過流保護(OCP)提供雙向保護，并以輸出MOSFET的RDS(on)作為電流感應電阻。在這個設計中，當測量的電流超過預設的臨界值，OCP邏輯便會輸出信號到保護電路，迫使HO和LO管腳置于低電平，從而保護MOSFET不受損害。

由于高壓IC的結(jié)構(gòu)限制，高側(cè)和低側(cè)MOSFET的電流感應部署并不相同。例如，低側(cè)電流感應是基于器件在通態(tài)狀態(tài)下，低側(cè)MOSFET兩端的VDS。為防止瞬時過沖觸發(fā)OCP，在LO開通后加入一個消隱間隔，停止450ns過電流檢測。

低側(cè)過流感應的臨界電壓由OCSET管腳設定，范圍由0.5V到5.0V。如果為低側(cè)MOSFET測量的VDS超過了OCSET管腳對應COM的電壓，驅(qū)動器電路就會執(zhí)行OCP保護程序。要設定過電流的關(guān)斷電平，可以利用以下的算式計算OCSET管腳的電壓：

為盡可能降低OCSET管腳上輸入偏置電流的影響，我們選擇了電阻值R4和R5，以便流過分壓器的電流達到0.5mA或更多。同時，通過一個電阻分壓器將VREF輸入到OCSET，改善了對電源電壓Vcc波動的抗擾性。

同樣地，對于正負載電流，高側(cè)過流感應也會監(jiān)測負載條件，此時根據(jù)經(jīng)CSH和Vs管腳高側(cè)開啟期間在MOSFET兩端測量的VDS進行監(jiān)測。當負載電流超過預設的關(guān)斷電平，OCP保護便會停止開關(guān)運作。為防止瞬態(tài)過沖觸發(fā)OCP，可在HO開通后加入一個消隱間隔，停止450ns過流檢測。