Ｄ类功放在便携式设备中的应用

[摘要]采用D类放大器可延长电池供电终端产品的工作时间，并产生更少的热量，因此高效率D类音频功率放大器正越来越多地被用在移动电话、智能电话、PDA 及其他类似便携式应用中，以取代AB类放大器。简单陈述D类功放的构成及原理，并以TI公司的芯片TPA2012D2为例，着重介绍该芯片在便携式媒体播放器（PMP）中的应用实例。该例在实际应用中得到较好的音频播放表现。

[关键词]D类功放 便携式 脉宽调制 PMP

中图分类号：TN6文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）0410020－02

现今，各种便携式的电子产品成为电子设备的一种重要的发展趋势。手机、MP3、MP4以及数码相机、便携式DVD等。他们虽然在功能及应用场合上有所差异，但至少有两个共同点：第一，他们都具备音频输出，即使是数码相机，现在也普遍支持音频回放，这样就需要有一个合适的音频放大器；第二，便携式设备很多情况下是靠电池供电，这就要求一个消耗尽可能低的硬件系统。而对于音频放大器来说，就需要其能够在保持最低的失真情况下得到更高的效率。这就导致了D类音频功率放大器在便携式设备中的广泛应用。这些放大器可使设计人员节省电池电量，因为D类放大器比传统AB类（或线性）放大器具有更高的效率。在介绍应用之前，先来了解一下D类功放的原理。

一、D类功放的构成及原理简介

图1是D功放原理框图，在一个线性功放中信号总是停留在模拟区，输出晶体管（器件）担当线性调整器来调整输出电压。这样在输出器件上存在着电压降，其结果降低了效率。

图1 D类功率放大器基本构成图

上面图1显示的是半桥D类功放的基本功能图，其中给出了每级的波形。电路运用从半桥输出的反馈来补偿母线电压的变化。那末D类功放是如何工作的呢？D类功放的工作原理和PWM的电源是相同的，我们假设输入信号是一个标准的音频信号，而这个音频信号是正弦波，典型频率从20Hz到20kHz范围。这个信号和高频三角或锯齿波形相比可以产生PWM信号，见图2a中所示。这个PWM信号被用来驱动功率级，产生放大的数字信号，最后一个低通过滤波器被用在这个信号上来滤掉PWM载波频率，重新得到正弦波音频信号，见图2b中所示。

D类音频放大器采用脉宽调制技术PWM(PulseWidth Modulation)。这里所谓的脉宽调制技术就是把模拟音频信号的幅度调制为一系列矩形脉冲的宽度。由此一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。这样，只要对这一系列的脉冲信号放大就实现了对信号的放大。而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在他的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有信号的时候，输入信号就是对称方波。因此如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。而在开关工作状态，晶体管的效率是很高的。因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小（由其饱和电阻决定），而在截止的时候，加在晶体管上的电压很高，但是流过晶体管的电流很小（只是其漏电流而已）。同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样就可以得到更高的效率。由此可见，D类功放正好可以满足便携式设备中的音频关于低失真和高效率的需求。

二、D类功放的应用2TPA2012D2

TPA2012D2是TI公司生产的一款高性能无滤波器立体声D类音频功率放大器。他最高可以提供每路211W的立体声输出，最少需要两个外接元件才能工作，增益可通过G0和G1引脚选择为6、12、18或24dB，电源范围从215～515V。217Hz的PSRR（Power Supply Rejection Ratio）高达77dB，使其具有更高的射频及噪声校正能力。关断引脚内部有下拉电阻，315ms快速起动时间，提供短路保护和热保护。芯片提供2×2mmWCSP和4×4mmTQFN两种封装，体积小巧。可应用于手机、PDA、便携式DVD播放器、笔记本电脑、便携式收音机和游戏机，教育玩具和USB扬声器。本文将其作为PMP内置双喇叭的功放。

图3 TPA2012D2 电路原理图

（一）原理图设计

电路原理图如图3所示。音频功放模块以TPA2012D2为核心，供电通过LDO输出313V给芯片，选择LDO时要注意能够提供足够功率。音频信号输出由PA RIN和PA LIN端进入芯片。声音软开关由CPU通过软件控制，在用不到喇叭的场合关闭相关芯片的工作，方便实现省电控制。由于喇叭的位置与TPA2012有一定距离，输出回路使用磁珠和1nF电容组成LC滤波器。功放的增益由G0和G1引脚设置，本例通过电阻R140和R139设置增益为18dB。

（二）PCB板设计

PCB布局是比较重要的一个环节。一个很好的布局可以得到很好的音频播放效果。本例采用6层PCB设计，PCB图（局部）如图2所示。布局时需要注意：

图4 TPA2012D2 电路PCB 图（局部）

（1）本例采用QFN 封装的TPA2012D2 芯片，，因此芯片底部需要有散热底盘并且接地（图4 芯片中心位置）。

（2）应尽可能将磁珠紧靠TPA2012D2 的输出引脚放置，然后再用电容来将其接地，并确保电容接地远离敏感模拟电路（图2 芯片上方和下方两路）。

三、结语

由文中的TPA2012D2为核心的功放模块设计制作出的PMP样机在实际测试中有着比较好的立体声播放表现。虽然该电路模块在整体的PMP硬件电路设计当中仅占很小的一个份额，但是他所体现出来的性能直接影响到产品的整体品质。而D类功放效率高、电池使用寿命长、热耗散少的优点使其在便携式设备中的应用更具优势。

参考文献：

[1]Nicholas Holland. 在便携式应用中使用D 类音频放大器[M].TI公司.

[2]TPA2012D2 datasheet. http ://focus.ti.com/docs/ prod/folders/ print/ tpa2012d2.html.

[3]Jason Cookson. Class D Audio Power Amplifier. The Uni2versity of Maine，2002.

[4]茅于海，漫谈音频D 类放大器[J].电子技术应用，2006，（5）.

作者简介：

周柳奇，男，湖南新邵人，讲师，主要研究方向：电子技术应用与研究。

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