便携设备中反馈网络和扩谱调制技术的应用研究，便携设备中反馈网络和扩谱调制技术的应用

很多朋友对便携设备中反馈网络和扩谱调制技术的应用研究，便携设备中反馈网络和扩谱调制技术的应用不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

如今，使用反馈网络和频率扩展技术来改善开关的电磁干扰已经应用于便携式设备中的开关调节器和现代D类放大器。原因是什么？

在瞬息万变的多媒体时代，高效率的现代D类放大器已成为便携式和高功率应用的理想选择。这是因为许多现代D类放大器采用了先进的扩频调制技术，可以消除外部滤波器，减少各种应用中的电磁干扰(EMl)。外部滤波器的消除不仅降低了电路板的空间需求，还大大降低了许多便携式/紧凑型应用的成本。

由于开关稳压器可以极大地节省空间，并且功耗极低，因此正逐渐取代线性稳压器，进入各种新的应用领域。然而，开关调节器有一个缺点，其内部开关电流可能会产生EMI。EMI的峰值能量集中在开关频率上，降低EMI的传统方法是小心处理接地、屏蔽和滤波。以上方法主要是控制和抑制稳压器内部开关电流产生的辐射。此外，降低开关电流的幅度和改变频率也可以降低EMI。

但确切地说，多相位同步和扩频调频(SSEM)以及反馈网络技术是降低EMI的两个有力工具。此外，降低开关电流的幅度和改变频率也可以降低EMI。

此时，本文仅对其反馈技术、扩频调制技术和新一代无滤波器D类放大器进行分析和说明。因为对D类放大器及其最新技术发展的基本了解，将有助于设计人员针对具体应用选择合适的放大器，并正确权衡某些功能特性的优缺点。因此，首先介绍了传统的基于PWM模式的D类放大器存在的问题。传统D类放大器中的问题

传统D类放大器的一个主要缺点是需要外部LC滤波器。这不仅增加了该方案的总成本和电路板空间，还可能由于滤波器元件的非线性而引入额外的失真。许多D类放大器也使用全桥输出级。全桥电路使用两个半桥输出级，并以差分方式驱动负载。这种类型的负载连接通常被称为桥式负载(BTL)。全桥结构通过切换负载的传导路径来工作。

因此，负载电流可以在两个方向上流动，而无需负电源或DC隔直电容器。基于PWM的传统based类放大器的输出波形。输出波形彼此互补，从而在负载上产生差分PWM信号。与半桥拓扑类似，输出需要一个外部LC滤波器来提取低频音频信号，防止高频能量在负载上耗散。

和所有传统的D类放大器一样，典型的基于PWM模式的D类放大器需要外接滤波元件，会造成EMI/EMC兼容问题，而THD N性能较差，因此其高效率优势相比线性放大器大大失色。而现代的D类放大器采用了先进的调制和反馈技术，可以很好的缓解上述问题。2、使用反馈网络提高性能

许多D类放大器使用从PWM输出到器件输入的负反馈环路。闭环方案不仅可以提高器件的线性度，还可以使器件具有电源抑制能力。相反，开环放大器几乎没有电源抑制。在闭环拓扑结构中，由于输出波形会被检测并反馈到放大器的输入端，所以在输出端可以检测到电源的偏差，并通过控制环路对输出进行校正。

闭环设计的优势是以可能出现的稳定性问题为代价的，这也是所有反馈系统面临的共同问题。因此，控制回路必须仔细设计和补偿，以确保在任何工作条件下的稳定性。

典型的D类放大器采用具有噪声整形功能的反馈环路，可以大大降低脉宽调制器、输出级和电源电压偏差的非线性引入的带内噪声。这种拓扑结构类似于-调制器中使用的噪声整形。为了阐明噪声整形功能，图1以传递函数的形式给出了现代D类放大器反馈补偿环路的原理图，即一阶噪声整形器的简化框图。

反馈网络通常由电阻分压器网络组成，但为了简单起见，图1中的反馈比是1。由于理想积分器的增益与频率成反比，所以图中积分器的传递函数也简化为1/s，同时假设PWM模块在控制环路中具有单位增益和零相位偏移。使用基本控制模块分析方法，可以获得以下输出表达式：

从等式1可以看出，噪声项En(s)乘以高通滤波器函数(噪声传递函数)，输入项VIN(s)乘以低通滤波器函数(信号传递函数)。噪声传递函数的高通滤波器对D类放大器的噪声进行整形。如果输出滤波器的截止频率选择得当，大部分噪声将被挤出带外(参见图1右上角的坐标)。

上述示例使用一阶噪声整形器，而大多数现代D类放大器使用高阶噪声整形器拓扑结构来进一步优化线性度和电源抑制特性。

3、新型无滤波器D类放大器的衍生

传统D类放大器的一个主要缺点是需要外部LC滤波器。这不仅增加了该方案的总成本和电路板空间，还可能由于滤波器元件的非线性而引入额外的失真。幸运的是，许多现代D类放大器采用先进的“无滤波器”调制方案，从而消除或至少最大限度地降低了外部滤波器要求。图2给出了无滤波器调制器拓扑的简化功能框图。

不同于传统的PWM BTL放大器，每个半桥都有自己专用的比较器，可以独立控制每个输出。调制器由差分音频信号和高频锯齿波驱动。当两个比较器的输出都为低电平时，D类放大器的每个输出都为高电平。同时，或非门的输出变为高电平，但由于RON和CON组成的RC电路会有一定的延迟，一旦或非门的延迟输出超过一定阈值，开关sw1和SW2闭合。

这将使OUT和OUT- low保持不变，直到下一个采样周期开始。这种设计使两路输出同时开启，最短时间为t0N(MIN)，由RON和CON的值决定，如图3所示，当输入为零时，两路输出同相，脉冲宽度为t0N(MIN)。随着音频输入信号增加或减少，一个比较器将在另一个之前翻转。

这种工作特性，加上最短时间对电路的影响，将导致一个输出改变其脉冲宽度，而另一个输出的脉冲宽度将保持t0N(MIN)(图3)。这意味着每个输出的平均值包含输出音频信号的半波整流结果。通过对两个输出的平均值执行差分操作，可以获得完整的输出音频波形。

由于MAX9700的输出端在空闲时为同相信号，所以负载两端没有差分电压，从而最大限度降低了静态功耗，并且无需外部滤波器。免滤波器D类放大器从输出中提取音频信号时并不依靠外部LC滤波器，而是依靠扬声器负载固有的电感以及人耳的听觉特性来恢复音频信号。扬声器电阻（RE）和电感（LE）形成一个1阶低通滤波器，其截止频率为：

对大多数扬声器而言，这个l阶滚降足以恢复音频信号，并可防止在扬声器电阻上耗散过多高频开关能量。即使依然存在残余开关能量使扬声器组件产生运动，这些频率也无法入耳被听到或影响听觉感受。使用免滤波器D类放大器时，为获得最大输出功率，扬声器负载应保证在放大器开关频率下仍为感性负载。

4、利用D类放大器延长电池使用寿命

高效D类音频功率放大器使电池使用寿命延长为传统线性放大器的两倍，从而使音乐播放时间更长。DC音量控制等特性不仅降低了系统成本，实现了板级空间的最小化，同时其低噪声底限能扩大动态范围，并优化音频质量。D类音频放大器可为你的便携式扬声器系统提供灵活的低成本设计解决方案，见图4示意图。图4中D类放大器可采用TPA2008D2型23W D类放大器。

该解决方案应用范围为：音频基座，迷你扬声器，轻便型收录机。其特性为：8扬声器提供的88的D类放大效率；集成DC音量控制范田为-38dB至20dB，而步长为2dB；低噪声底跟；42Vrms；电源坟波抑制比（PSRR）70dB；TPA2008D2型为24引脚HTSSOP封装。

5、降低EMI有效技术—扩谱调制的应用

免滤波器工作方式的一个缺点就是可能通过扬声器电缆辐射EMI。由于D类放大器的输出波形为高频方波，并具有陡峭的过渡边沿，因此输出频谱会在开关频率及开关频率倍频处包含大量频谱能量。在紧靠器件的位置没有安装外部输出滤波器的话，这些高频能量就会通过扬声器电缆辐射出去。免滤波器D类放大器采用”扩谱调制方案，可帮助缓解可能的EMI问题。

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（见图5所示）。采样频率的变化不会破坏音频信号的恢复，也不会降低整体效率。

一些D类放大器也可允许接受外部的系统频率同步，来降低或避开敏感的频带。另外，现代D类放大器具有主动幅射限制电路（AEL），AEL电路会在输出瞬变时主动控制输出FET的栅极，避免传统D类放大器中因感性负载的续流所引起的高频幅射，进而降低EMI。

例如MAX9705、MX9773两款现代D类放大器除了具有普通的固定频率模式（FFM）、扩展频谱模式（SSM）、外部同步模式及SSM+AEL模式，用户可利用其SYNC引脚设定取样频率。现代D类放大器，加上仿真程序的计算，可计算出各个模式下的EMI特性。扩展频谱模式+主动幅射限制模式下，提供最佳的EMI抑制。

通过抖动或随机化D类放大器的开关频率实现扩谱调制。实际开关频率相对于标称开关频率的变化范围可达到土10。尽管开关波形的各个周期会随机变化，但占空比不受影响，因此输出波形可以保留音频信息。图6显示以MAX9700为例的扩谱调制的效果，是在OUT+或OUT-与地之间宽带（为10KHz）的输出频谱测量效果，即扩谱调制将MAX9700的频谱能量分布在更宽的频带内。

扩谱调制有效展宽了输出信号的频谱能量，而不是使频谱能量集中在开关频率及其各次谐波上。换句话说，输出频谱的总能量没有变，只是重新分布在更宽的频带内。这样就降低了输出端的高频能量峰，因而将扬声器电缆辐射EMI的机会降至最少。虽然一些频谱噪声可能由扩谱调制引入音频带宽内，这些噪声可以被反馈环路的噪声整形功能抑制掉。

很多现代免滤波器D类放大器还允许开关频率同步至一个外部时钟信号。因此用户可以将放大器开关频率设置到相对不敏感的频率范围内。

尽管扩谱调制极大地改善了免滤波器D类放大器的EMI性能，为了满足FCC或CE辐射标准，实际上还是需要对扬声器电缆长度加以限制。如果设备因扬声器电缆过长而没能通过辐射测试，则需要一个外部输出滤波器来衰减输出波形的高频分量。对于许多具有适度扬声器电缆长度的应用来说，在输出端安装磁珠滤波电容即可满足要求，见图7（a）所示。

而图7（b）为省掉价格昂贵的电感而用磁珠滤波电容使EMI受限的特性曲线。

6、结语

当前，有多种D类放大器可供选用，以满足各类应用需求。这当中包括低功耗便携式设备（如蜂窝电话和笔记本电脑）以及大功率设备（如车载音响系统或平板显示器），对于前者来说，电池寿命、电路板空间和EMI兼容性往往至关重要；而后者则要求最大限度降低散热需求和发热量。

以上知识分享希望能够帮助到大家！