单端输出D类音频功放的“电源泵”问题

单端输出D类音频功放的“电源泵”问题

单端输出的D类功放存在一个比较特别的现象，电源电压会随着负载功率的升高而增大。这种现象被称为“电源泵”，它会令一些不熟悉电路的工程师感到困惑。如果不对“电源泵”加以控制，较高的电源电压会因为超过了功放及电源电容的额定最大值而导致器件永久性损坏。本文讨论了产生这一现象的原因以及解决方法。

理解“电源泵”产生原理

“电源泵”现象通常出现在以低频信号驱动低阻(如扬声器)负载的放大器电源上。因为这些电源(线性稳压源)的输出通过二极管整流，它们无法在正电源输出端吸收电流或在负电源输出端供出电流。

图1所示线性电源为差分输入的立体声D类放大器(例如MAX9742或其它供应商的类似器件)供电。当扬声器输出摆幅在正弦信号负半周达到“地电位”以下时，电流通路的流向如图中箭头所示，流入电源输出端。

图1. 在正弦输出的负半周，电流按照箭头方向流入D类放大器的输出端

由于器件是D类放大器，在节点A输出信号将在VDD与VSS之间摆动：当MOSFET M1导通时，输出被拉至VDD；当MOSFET M2导通时，输出被拉至VSS。图中箭头表示的电流流向分别对应于M1导通或M2导通的情况。M2导通时，电流会通过M2、D2返回到电源端。M1导通瞬间，电流将通过M1，在D1产生反偏，并对C1充电。从而使VDD幅度升高。

图2所示波形为图1电路的供电电源、单端立体声驱动下的扬声器波形。VDD和VSS为±15V，电源电容为1000μF，输出负载为4Ω电阻，输出信号频率为20Hz。

图2. 这些波形由图1电路测试得到，从这些波形可以看出电源泵效应，t1到t2对应于输出波形的负半周(底部)，导致VDD增大(顶部)和VSS降低(中间)

t1到t2之间对应于输出正弦信号的负半周期，电流流向如图1所示。从波形可以看出：正电压VDD (左声道)在t1、t2之间有所提升。当正弦输出信号在t2时刻达到正压时，VDD提升的电压将从C1释放。同时，VSS (右声道)会在正电源放电时对C2充电，使其向负向增长。当扬声器电压为负值时，VSS放电，如此重复循环。

当器件工作在低频时，这种“电源泵”效应会更加严重，因为低频信号具有更长的充电时间，使更多电荷充入输出电容，而反相周期来不及释放这些额外电压。电源电压的升高会超出C1、C2 (或二者)以及D类功放内部的M1、M2(或二者)的最大额定电压，从而导致器件永久性损坏。

“电源泵”问题的解决方案

可以通过三种途径解决“电源泵”问题：

1. 图1所示IC 有两个单端输出，可以将其桥接在一起，提供一路差分通道，如图3所示。这种桥接输出信号为异相工作，因此任何一个通道产生电源泵效应时，可以在另一通道抵消掉。

图3. 按照图中配置，可以利用IC的输入运算放大器配置负载桥接输出

2. 立体声音频信号中的低频分量多数属于单声道信号(即左、右声道信号相同)，可以使左声道信号与右声道信号反向(或反之)，如图4所示，左声道音频信号在输入级反相，输出级左、右声道信号反相。任何一个声道引起的电源泵效应可以通过另外一个声道消除，随后，必须通过更改一个声道(这里为右声道)的扬声器连接保证同相输出。

图4. 为了消除电源泵效应并保持IC的两个声道，将左声道输入运放配置成反相器翻转信号，然后再更换右声道扬声器的连接，以保证扬声器输出同相信号。

3. 使用较大的电源电容( > 1000μF)也可以帮助减低“电源泵”幅度。较大的电容可以在电源电压“泵”较高值以前吸收更大电流，并在充电时允许更长时间的反相信号释放电源泵电压。

数学模型

以下公式对电源泵效应提供了较好的逼近，为简化分析，我们假设：

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为VDD的旁路滤波电容(C1)，A为输出正弦信号的幅度，RLOAD为扬声器电阻，VDD是正向电源电压的归一化值，Tsine为输出正弦信号周期。

公式1描述了一条抛物线，峰值发生在振幅A = (2/π) x VDD时。将该式代入式1可以得到最大电源泵电压：

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

对于采用±15V供电、8Ω扬声器、输出20Hz正弦信号并使用220μF电源电容的系统，VDD可以上升到21.6V，当然，增大滤波电容可以减小?VDD(max)。例如，通过安装1000μF电容，可以使最大电源泵电压降至4.7V。

方案探讨

方案1通过增加反相电路消除电源泵效应，只需增加一个运放，成本较低。另外，如果使用类似MAX9742的立体声放大器，则不需要额外运放，因为其输入级运放可以根据需要进行配置(参考图3至图4)。但是，这种方法并非总是有效，因为它把两个放大器合并成了一个。如果需要立体声输出，则需增加额外的MAX9742。

方案2把一个声道的信号翻转，用于抵消另一声道的“泵”电压，从而消除电源泵效应，这种方案最有效。电路(图4)在右声道输入包含一个运放，需占用额外的PCB面积，除非使用MAX9742 D类放大器，其输入级可以根据需要进行配置，用于消除电源泵效应。大多数方案都需要对PCB进行修改，除非事先设计功率放大器时考虑了消除电源泵效应的问题。

方案3最常见但成本最高。功放设计人员通常总是在赶生产期限，而且既然大部分功放已经包含了100?F至330?F的大尺寸电源电容，这种方法便成为最简便的途径，只要把电容增大到1000?F左右即可。

增加一个运放和相关无源元件需要大约0.10$至0.15$成本，但一个330?F电容的价格大约需要0.10$。每路电源(VDD和VSS)安装两个330?F电容，材料成本将增加到大约0.40$。也可以去掉330?F电容，换成两个1000?F电容。成本增加0.25$至0.30$。因此，增加电容会造成更高成本，但从设计人员的角度看，消除了重新设计的风险。因为增大电容比修改PCB增加一个运放更容易。

虽然电源泵问题及其解决方法很容易理解，IC厂商并没有把所有需要的电路集成在芯片内部。设计人员采用了一些创新方案，例如MAX9742，其内部运放的差分输入可以根据需要进行配置(方案2)。如果IC配置不当，其电源电压有可能被抬高到额定电压以上(每片IC都有其额定指标，如果超出额定值可能造成器件永久性损坏)。方案3需要增大电源电容，而大电容可能永远无法集成到IC内，因为利用硅材料集成电容价格非常昂贵，而且只能得到容值较小的皮法级而不是微法级电容。

电源泵通常发生在单端输出、D类放大器以低频信号驱动低阻负载的条件下，这个问题虽然棘手，但是如果理解了造成该现象的原因，可以利用本文介绍的某种方法(使用放大器和外围元件)将电源泵电压降至比较安全的水平。