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技术创新突破性能瓶颈 D类放大器景气提升

http://cn.newmaker.com 11/6/2008 9:35:00 AM 佳工机电网

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D类放大技术的概念早在1950年代就被提出，与AB类放大器的工作机理不同，D类音频放大器利用电压比较、脉宽调制等技术来放大音频信号。由于具有不同的拓扑结构，D类放大器的功耗远小于传统的AB类放大器，具有良好的散热性能。

理论上，D类放大器的效率可达到100%，实际应用中通常也超过80%。不过，由于在性能及器件成本等方面与A B类放大器相比有所不足，因而过去数十年间，D类功放并未因效率上的优势而获得音频系统工程师青睐。

近年来，便携式音频设备等低功耗应用的兴起使得D类放大器开始受到关注，而技术进步又使其性能得以改善并简化了设计，伴随成本逐步降低的趋势，D类功放开始向AB类方案主导的应用领域渗透。随着业界对于能源效率方面的要求日渐提高，D类功放的优势将更加凸现，从而进一步拉动相关市场需求。

借低功耗特性脱颖而出，应用领域向高端渗透

凭借效率上的显著优势，D类功放首先挺进依靠电池供电的便携应用领域。便携式设备对于体积、功耗要求尤为严苛，为了节省电路板空间并满足低功耗需求，高效率的D类功放脱颖而出。目前，在iPod、Zune等便携媒体播放器以及音乐手机、便携式游戏机、PDA、PND等许多产品中都有D类放大器的身影。新兴的超便携个人电脑(UMPC)以及移动互联网设备(MID)市场也将成为D类功放的新机会。

除了便携式设备之外，D类放大器在LCD TV、PC等领域所占份额也逐步扩大。在这类产品越来越纤薄化的发展趋势中，如何为消费者提供高清音质、多声道、重低音等多种选择，正成为音频功放供应商面临的关键挑战。“不论是对国际市场还是中国市场，D类放大器无疑是首选方案。 ”德州仪器(TI)公司中国区市场开发高性能模拟产品销售工程师信本伟指出，目前在液晶电视产品中，32寸以上的产品几乎全部采用D类功放，在22~26寸产品中，D类功放也渐渐成为主流。

不仅如此，D类功放还开始向A B类产品主导的汽车音频领域拓展。随着车载信息娱乐系统的功能和子系统不断增加，音频系统设计人员必须寻求低功耗的高性能解决方案。因此，高效率的D类放大器逐渐成为可行性选择。一些工作效率可达90％的D类放大器可以设计数字连接，以便与处理音频的数字信号处理器(DSP)连接，从而为DSP节省了集成ADC的成本。新型的数字D类放大器为车载应用实现了数字放大技术带来的低功耗优势。

Gar tner公司分析师Stephen Ohr曾经指出：“就像A B类放大器是A类放大器的一个节省功耗的延展，现在整个行业也希望把D类放大器看作是AB类放大器节省功耗的延展。”尽管不同的终端应用对D类功放的需求程度各异，但是从整体上看，D类放大器将成为未来功放应用的主要增长点。

华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理颜重光概括了D类功放的几种应用趋势：音乐手机、便携媒体播放器因产品的体积限制，新一代无滤波器的D类放大器有全面进入的趋势；LCD TV等平板电视和车载信息娱乐系统，因其厚度和体积的限制，未来选用2×10W的D类功放已成定局；新一代的D类放大器进入家庭影院也为期不远。

图1：2005~2012年全球D类放大器市场规模统计及预测

创新技术应对性能短板，改善音频体验

尽管目前D类功放已经应用在多种领域，但由于其固有的性能缺陷以及成本问题，业界普遍认为短期内D类放大器尚不能完全取代AB类方案成为主流。为了能够突破D类放大器的性能局限，研发人员不断开发新技术。下一代D类功放需要具备和其他电路或者模块的集成技术，通过器件结构和工艺方面的改进，提高性能。

早期典型的D类放大器工作在开环状态下，不利于高保真还原音频信号。与性能优良的AB类放大器相比，其THD+N性能较差，失真大，动态范围窄。

新型D类放大技术通过闭环负反馈来提高电路性能。闭环架构有助于提高音频性能，增强音频子系统对扬声器的控制能力，更严密、更精准地复制声音，并且改进低音响应。此外，闭环架构还实现了出色的电源抑制比(PSRR)，可降低耦合至音频段的电源噪声。

通过集成高性能采样率转换器(SRC)和Δ-Σ处理技术，新一代D类方案的THD+N得到了更大的改善，而且动态范围也大幅扩展。例如，TI新一代数字功放技术已可实现高达100dB以上的信噪比。“该技术易于集成诸如动态范围控制、动态噪声消除、动态响度补偿、喇叭频响曲线补偿等数字技术。”TI公司的信本伟介绍，这种数字功放技术即使用于普通的喇叭也能产生很好的音频效果，因此已经被绝大多数专业顶级音响公司采用。“数字声音处理器将成为能为人们提供更好音频体验的一种标准技术。 ”美国PAM公司技术行销总监汪道生进一步指出，音频信号有很多种类型，但消费者只想获得无需增加成本的良好音频体验，因此，“输出抗饱和”以及“音频输入选择”都将成为下一代音频放大器的标准特性。

D类功放的另一个技术瓶颈是如何改善EMI性能。尽管某些板级设计技术可以减少EMI辐射，但调制方案决定着传导与辐射EMI的基线频谱。目前，新一代D类放大器采用先进的调制方式和反馈技术应对EMI问题。

一些D类放大器方案是利用一级或二级LC滤波器来降低EMI辐射，同时在芯片内部也进行了EMI的优化设计。传统D类放大器需要外部LC滤波器和双电源供电，这不仅增加了方案总成本和电路板空间，也可能因滤波元件的非线性而引入额外失真。而现在很多新型D类功放采用了先进的“免滤波器”调制方案和单电源供电，从而最大限度降低了对外部滤波器的需求。

时下“免滤波器”D类功放在便携式设备中广为采用，不过， Maxim公司多媒体业务部音频产品总监Todd Moore指出，免滤波器工作方式也有可能通过扬声器电缆辐射EMI。对此，Max im开发出专利的扩展频谱调制(SSM)技术，该技术在较宽频带内展宽频谱分量，从而改善扬声器和电缆辐射EMI。据Moore介绍，在扩展频谱模式下，采样时钟频率在规定的范围内逐周期变化，使输出频谱的分布比较平坦，从而改善了经过喇叭或音频线缆的EMI辐射；由于采样频率的变化不会破坏音频信号的恢复，因而不会降低整体效率。

扩展频谱调制技术极大地改善了免滤波器D类放大器的EMI性能，但在实际应用中还需要限制扬声器电缆长度。据悉，一般而言，芯片与扬声器之间的电缆长度不能超过两英寸，如果超出这个长度，系统将可能出现故障。

针对这个问题，美国国家半导体公司开发出一种新技术 —可抑制电磁干扰的增强版电波幅射抑制(E2S)技术。“采用E2S技术，用户可将扬声器电缆延长至20英寸。”美国国家半导体亚太区市场经理郭俊杰表示，E2S技术不但符合FCC有关电磁干扰的规定，而且还超出最低规定达6dB。

而Maxim则是通过将SSM技术与有源辐射抑制电路(AEL)两者有机结合，在不降低音频性能的情况下进一步降低窄带频谱分量，减小EMI。从而使其D类音频功放产品能够在“无滤波”工作条件下驱动长达24英寸的非屏蔽电缆，并能满足EN55022EMI规范的要求。

PWM是D类放大器最常用的调制技术。但是这种技术仍然存在一些问题：PWM过程在实现中会增加固有的失真；PWM载波频率的谐振在调幅无线电波段内会产生EMI；PWM脉宽在全调制附近非常小。因此，在基于 PWM技术的放大器中经常达不到全调制，所能达到的最大输出功率小于理论上的最大值。作为 PWM方式的替代性方案，. 脉冲密度调制 ( P DM )开始受到关注。目前 A DI公司已经利用扩频脉冲密度调制技术实现 E M I辐射最小化。P D M在给定脉冲宽度内的脉冲数量与音频信号的平均值成正比。P DM中的高频能量分布在更广的频率范围内，而不是集中在载频倍频的音调中，因而使 PDM在 EMI方面比 PWM更有优势。此外，ADI公司的技术专家还指出 PDM的另一个优势：即使信号接近全调制，最小脉宽也是一个采样时钟周期，因而可简化栅极驱动电路设计，并达到理论上的全功率安全运作。

市场前景向好，半导体厂商积极研发特色方案

音频系统对节能及缩小空间的需求趋势正在成为D类功放市场增长的主要驱动力。据市场调研公司Gartner预测，2011年D类音频放大器的销售额将从2006年的3.34亿美元增长到6.88亿美元，复合年增长率为15.6%。良好的市场前景引发半导体厂商的研发热潮，目前T I、美国国家半导体、ADI、Max im、恩智浦半导体、安森美、ST、PAM等都已开发出多代方案，以往该市场一直是欧美、日系产品的天下，近年来中国本土厂商也开始进军该领域，例如埃派克森微电子、华润矽威、东微世纪等公司都推出多款D类功放产品。可以预见，随着D类放大技术日趋成熟，放大器产品的研发热潮将愈演愈烈。限于篇幅，本文仅浅析几类面向热点应用的D类功放方案。

便携类应用

针对蜂窝电话、PMP、掌上游戏机以及其他对高音质、输出功率和效率要求较为苛刻的便携类应用，Max im公司推出采用其第三代、超低EMI、D类放大器技术(DirectDrive、AEL和扩展频谱调制)的MAX9796，该子系统在5V供电时可向4Ω负载提供2.3W输出功率，效率达79%。由于采用AEL电路以及扩展频谱调制技术，MAX9796大幅降低EMI并省去了输出滤波器，从而进一步节省了成本和空间。

在无滤波器D类方案方面，一直致力于D类功放技术开发的美国PAM公司也有多款产品量产，适用于手机、MP3/MP4、PMP、GPS导航器以及便携式游戏机等。“我们的产品已进入第三代架构，所有的设计都采用PAM自有专利的无滤波器调制技术以及高集成度特性和功能。”该公司技术行销总监汪道生特别介绍了一款3W单声道音频放大器PAM8303D，该产品在采用8欧姆负载时的效率可达 90％，而其外部电路只需要一个耦合电容，大大简化了便携音频系统设计。

针对便携式应用，多家本土厂商也开发出相关产品。例如，华润矽威的单通道 2.5W方案 PT5306以及双通道2 .1W方案 PT5326。二者均为无LC滤波器 D类功放，采用闭环负反馈三电平 H桥输出 PWM调制结构。在3.6V电源电压、8欧姆负载、0.5W输出功率下，1 kHz频率 THD+N为 0.1%,500Hz频率 THD+N为 0.06%。

埃派克森则表示其单通道 2.5WD类功放 A7013可与市场上现有的同类主流产品兼容。据悉，A7013采用埃派克森自主专利的 EFS架构，对外界的 EMI干扰非常小，在实际应用中无需磁珠和其他特别设计，可以富有余量地通过 FCC的 EMI标准。此外，EFS架构还提升了芯片的整体性能，减少了失真，使得PSRR和CMRR达到81dB和82dB。该方案主要应用于手机、GPS、 iPOD Docking及数码相框等产品。

在手机用D类功放产品方面，北京东微世纪公司开发出单通道D类音频功放芯片EMT7026。据该公司总经理兼设计总监杨勇刚介绍，EMT7026是配合世界著名的手机喇叭制造商AAC的喇叭而设计，兼顾D类功放的高效率和低失真情况下，在5.5V电源稳压器工作时静态电流仅2.3mA。EMT7026增强的ESD保护以及高频频段内的优良音质配合AAC的喇叭，为音乐手机提供了良好的功放解决方案。该器件可针对输入音频信号源选择不同的增益，因此，听筒、喇叭和振铃可以只用一个EMT7026来实现。

另一家本土初创公司通芯微电子(上海)有限公司(Go2Silicon)也面向手机、MP3/MP4和GPS等应用，推出单通道D类2.5W音频功率放大器GSI8010，并已于今年第一季度开始量产。

平板电视

平板电视的纤薄化趋势对其内部电子器件的外形尺寸及散热性能提出更高要求。这给高效率的D类功放带来新的机会，目前许多厂商都在开发相关产品。

例如T I公司的闭环数字输出D类放大器TAS5706。据该公司负责高性能模拟产品销售的信本伟介绍，对于LCDTV而言，TAS5706可以不用现有的24V背光电源，这样一来音频子系统就无需专用电源轨。此外，TAS5706的片上音频处理功能还可实现其他增强音效，其中包括动态范围压缩(DRC)、2.1应用专用低音炮通道，以及扬声器均衡(EQ )等。扬声器EQ可调节音频，以补偿扬声器质量不高、次优扬声器放置或超薄外形尺寸等问题。

面向立体声、双通道 2×12W的电视、音响等应用，埃派克森也推出相关方案，其双通道 12W D类放大器 A70 03采用两极负反馈，大幅降低了因外围元器件的非线性而造成的失真。在 1W输出时，A7003的THD+N达到 0.012%。此外， A7003在设计时将晶体管导通电阻进一步降低，提高了效率，在双通道 12W满功率持续工作时都无需散热片。而华润矽威公司市场部经理颜重光也表示，华润矽威今年也将上市适用于 LCD TV的新一代 2×10W D类功放产品。

车载音频系统

汽车环境对放大器产品的要求更为严苛，抗 EMI性能对车载应用避免控制系统受到干扰尤为重要。新型的车载数字 D类放大器通过创新的架构和工艺改进(如改进数字PWM拓扑、优化栅极驱动技术以及AM干扰免除技术)来消除EMI问题，从而使开发人员无需昂贵的屏蔽和其他抗EMI干扰措施，并为车载应用实现了数字放大技术带来的低功耗优势。

例如，T I公司的TA S 5 414与TAS5424 D类放大器能够显著提高音响本体与外部放大器等车载音频应用的数字放大器电源效率。其中TAS5414是一款单端输入放大器，而TAS5424则带有差分输入，能在条件恶劣的电路板线路设计环境下达到更高的动态性能。

上述D类功放产品只需一个薄散热片就能实现AB类系统通过大型散热片和风扇所达到的散热效果。还可以设计出具备更多输出通道、更多功能的无线电音响本体，同时无需昂贵的外部放大器和配线。此外，片上诊断功能还可测试所有扬声器的连接，其中包括高频扬声器或装配线上产生的短路，从而简化了无线电设备的安装。

针对车载信息娱乐系统的需求，恩智浦半导体公司开发出低功耗高效车载D类功放TDF859X系列产品，该系列产品基于绝缘体硅片(SOI)处理功能和具有专利技术的零死区时间技术，具备良好的EMC性能以及智能诊断和保护功能。该公司汽车电子事业部大中华区市场经理王敦安指出，在汽车D类功放的应用中，单电源应用的需求也愈来愈多，同时单电源也可以很好地解决EMI问题，恩智浦TDF8599方案能够有效地解决这些问题，目前已广泛应用在市场上。

为了提升汽车信息娱乐系统的音频质量，美国国家半导体推出低EMI无需滤波器的D类放大器LM48410和LM48411，其中LM48410采用了独特的3D增强技术，而LM48411则采用了增强的发射抑制，可支持立体声扬声器。

作者: 胡萍

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