PWM调制技术在D类功率放大器中的应用研究

1.引言

音频功率放大器主要归结为四大类：

Class A、Class B、Class AB、Class D.

CLASS A是一种完全的线性放大形式的放大器。采用单个晶体管放大，发热大效率低，但失真率极低。Class B也被称为线性放大器，使用两个晶体管对正负信号进行线性放大，无信号时正负通道处于关闭的状态，即无功率损失，易产生跨越失真。Class AB兼具A类与B类功放的优势的一种设计。与B类相同的是采用两个晶体管放大正负信号，不同的则是在两者交越处附近使得两个晶体管均有微弱导通以克服B类功放的交越失真。

因此AB类具备B类效率的同时，失真度很接近A类功放。而D类功放与其他功放类型有着完全不同的工作原理，它采用高速开关管对信号进行放大。由于开关过程损耗极小，效率通常可达到90%以上，而且体积和重量方面也极具优势。近些年，随着开关技术的不断发展以及环保节能成为全球的主基调，D类功放越来越流行，并迅速成为功率放大器的主流类型。其中关于如何进一步提高D类功放的效率以及D类功放的性能也成为广大工程技术人员的方向和目标。而其中PWM调制技术也就孕育而生。

2.D类功放

2.1 拓扑结构

D类功放主要分为半桥、半桥并联、全桥、全桥并联。

2.2 系统结构

D类功放系统按照结构可以分为：信号处理部分、脉宽调制部分、驱动部分、功率输出部分（见图1-2）。信号处理部分进行噪声滤除和增益调节，有些内置音效的功率放大器，会在该部分加入音效处理。脉宽调制部分负责将模拟音频信号调制成PWM信号。PWM信号通过驱动电路和功率输出部分，放大PWM信号并通过LC低通滤波获得所需的模拟放大信号用以推动喇叭发出声音。

PWM信号直接关系到模拟放大部分的失真度。在其它部分相同的情况下，采用不同的调制方式有着不同的结果，而相同的调制方式在不同的调制参数下结果也不尽相同。

3.PWM调制类型

PWM技术已经经过多年发展，现在已经较为成熟。通过对PWM部分进行改进，也衍生了较多的所谓E类G类T类功放。而就基本原理而言，他们仍然属于D类功放。定频脉宽调节由于结构简单，在过去的D类功放产品中占据了主要地位，特别是中小功率的D类功放中尤为常见。带反馈的自激式脉宽调制则多在500瓦甚至更高的功率上使用。

3.1 定频脉宽调制

3.1.1 基本原理

定频调制的基本原理是：采用三角波作为载波，将被放大信号一同输入比较器进行比较，得到宽窄不一但周期一致的脉冲波形（见图1-1）。此种波形在频谱中含有大量的信号频谱成分，通过适当的滤波器便可还原成原始信号波形。图2-1中给出了双极性SPWM调制的时序波形。

3.1.2 应用分析

在定频PWM调制中，采用开环方式最多。由于输出信号没有参与PWM调制，该类功放产品结构较为简单，调试也较为方便。

但是所带来缺点也显而易见：由于没有带反馈，系统较容易被干扰到，特别是电源的波动，严重的制约着这类功放的性能。保证足够稳定的电源也是该类功放获取良好性能的必备条件。但是由于频率固定在大功率输出时，对于功率输出开关管提出了更高的要求。在EMC方面也显现出来不足：在输出开关噪声的功率谱中，也较为集中在载波频率的奇次谐波当中。

3.1.3 改善与发展

闭环定频调制则是开环定频调制的改良版本。通过引入负反馈，可以降低功放对于电源的依赖。由于引入负反馈，电源在一定范围内的波动，并不会引起功放输出波形的变化。在一定程度上克服开环定频调制的缺陷，提高了系统的失真度指标。但是在大功率输出和EMC方面仍然没有任何的改善。

加入负反馈进行调制在一定程度上可以提高THD方面的指标，但是依然不能改善EMC问题以及解决大功率问题。

3.2 闭环变频自激脉宽调制

3.2.1 基本原理

变频自激调制的基本原理是：利用负反馈系统输出信号跟随输入信号的原理，通过积分延迟以及比较器整形输出近似PWM波形。此种方式输出的PWM波形随着输入信号的变化，占空比在变化的同时输入周期也在变化。由于在大信号积分过程需要更多的时间用以抵消误差，积分周期的延长导致PWM频率变低。

3.2.2 应用分析

单闭环变频自激调制，使用反馈环路结合运算放大器和比较器通过系统闭环自激的方式产生P W M波形，该方式由于P W M信号波形是由自激产生，省去了PWM控制器。而负反馈参与PWM调制，使得它有着先天的高保真优势。同时由于信号不断加大，反馈深度的加强，载波频率不断走低，降低了开关频率。相对于定频PWM而言，而随着开关频率的降低也促使开关损耗降低。在输出同样功率的前提下，此种PWM调制模式可以降低对MOSFET和散热器的要求，同时成本也得到了很好的控制。

因此，该调制模式在大功率（300W）以上的功放产品中得到广泛应用。由于输出波形为交流信号，随着波形起伏，载波频率随之变化，载波频率将在一个较大的范围（如：200-400kHz）内波动，EMC的噪声频率将会较均匀的分布在一定区域内。因此EMC方面的问题也得到一定的改善。闭环反馈信号可以从LC滤波之前反馈，也可从负载喇叭端反馈。前者系统较为稳定，失真度稍逊。后者在负载有较大变化时，可能会出现不稳定的现象。由于反馈信号为喇叭端，所以LC的非线性失真能够得到很好的抑制，因此失真度方面较有优势。

3.2.3 改善与发展

随着变频自激调制方式的运用越来越多，相应的优化技术也得到了发展。比较简单的如：积分环节使用二阶积分电路。复杂的则是双闭环是双闭环的引入：既在LC滤波前反馈，又包含喇叭端的反馈。使用双反馈的目的可以带来稳定性和保真度方面的双重好处。目前在少数发烧级功放产品上有应用。当然双反馈对于参数的依赖和器件的模型化要求较高，各方面的精确性均会影响到实际效果。此种应用一旦被工程技术人员广泛掌握，D类功放的性能也将全面得到提升。

4.系统仿真

仿真采用MATLAB进行仿真。基本仿真环境为：电源电压为+/-160V，负载阻抗40ohm;5000Hz音频信号;调制载波频率为200k-400kHz.滤波电感为60uH，滤波电容为0.2uF.主要测试指标为THD.

4.1 定频脉宽调试仿真

4.1.1 基于200kHz载波下的仿真结果及200kHz载波作为仿真分析案例

未加A记权情况下THD达到10%，该指标只能满足入门级功放的标准。该图3-2中的黄色部分波形线条上载波明显且幅度较高。图3-3中200kHz位置能量谱较高且集中，仅低过信号波形30dB.EMC方面具备较多的问题。

4.1.2 基于200kHz载波下的仿真结果及分析

400kHz载波作为仿真分析案例，未加A记权情况下THD达到2.8%，该指标能够满足多数家庭功放的使用要求，但仍然不能应用于专业功放。载波峰值低于信号幅度40dB.

提高载波频率后无论是在失真方面还是在EMC方面均有较高幅度的改善。由此可以判断：使用更高频率的载波将会进一步提高功放性能。然而高频率的载波需要更高快速的器件，在现有技术情况下将会遭遇成本大幅提升的问题，且大功率的高速器件更是难以做大。

4.2 闭环自激变频脉宽调制

比较器延迟不能高于30ns.空载400kHz载波，满载200kHz时的仿真结果：

闭环自激调制模式下，频率范围在200-400kHz间移动，未加A计权条件下THD达到了0.7%.在实际应用中加入A计权，THD可低于0.1%，即可满足专业级HIFI功放的要求。载波频谱分摊到各个频率段，幅度低于信号幅度55dB，效果较理想。

5.结论

定频脉宽调制结构简单，小功率应用成本低廉又可满足多数普通用户要求。自激变频脉宽调制结构较复杂，在性能方面尤其大功率功放方面具备较高优势。根据用户需求和应用领域，选择最适合的，才是科技和应用的最佳结合点。

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