增益可控BTLD音频功率放大器及其应用

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增益可控BTLD音频功率放大器及其应用
1  概述

  采用PWM调制技术的D类(开关型)音频功率放大器以其高效率、低功耗等特性,比其它类型(如A类、B类和AB类)的功率放大器更具优势,从而在带有音频功能的设备尤其是便携式产品应用中占据了主导地位。

  美国德州仪器公司(TI)是生产音频功率芯片的著名厂商之一。该公司生产的D类音频功率放大器已发展到第三代。

  TI公司的第三代D类音频功率放大器ICs均带有小于1μA的关闭控制电流和典型值为7mA或8mA 的低电源电流,它们都采用创新的调制技术,不需要或仅需要低成本小型输出滤波器。由于在封装上解决了散热问题,因而无需使用散热片。这一代新型D类功放芯片输出功率与温度之间的关系呈平直曲线,这一点是AB类放大器无法相比的。它们中的所有器件都内置有去砰声/去咔嗒声电路,可有效消除开/关噪声,同时芯片都内置短路保护和过热关断电路,从而提高了器件本身和系统的可靠性。

  TPA3007D1是TI公司最近推出的6.5W单声道BTL D类音频功率放大器芯片,该芯片的效率可达85%@Vcc=12V 以上,且具有12dB、18dB、23.6dB和36dB四种增益可供控制和选择。其应用领域包括LCD监视器、TVs、PCs、车载免提套件和动力powered 扬声器等。

       2 TPA3007D1的结构功能

        采用24引脚TSSOP封装的TPA3007D1芯片的引脚排列如图1所示。

引脚排列图

  TPA3007D1内部含有偏置与电压参考、增益调节电路、PWM调制电路、栅极驱动器、四只MOSFET组成的H-桥功率极及短路检测和过热关断保护等电路。 图2是其内部结构框图。

内部结构框图

  TPA3007D1的电源电压(Vcc/PVcc)范围为8~18V(典型值为12V);负载阻抗RL大于7Ω;其GAIN0、GAIN1和SHUTDOWN脚的高电平输入电压VIH应大于2V;低电平输入电压VIL则应小于0.8V;TPA3007D1工作环境温度范围为-40~+85℃。

  3  第三代调制技术方案

  TPA3007D1采用创新的调制方案。虽然每路输出(OUTP和DUTN)幅度仍然从0V到VCC(12V),但当无输入时,OUTP和OUTN为同相位。对于正输出电压,OUTP的占空比大于50%,而OUTN的占空比则小于50%。对于负输出电压,OUTP占空比小于50%,而OUTN占空比大于50%。在开关周期的大部分时间里,负载两端的电压是0V。在这种调制方式下,负载上的差分电压幅度不是2VCC,而是VCC,因而大大减小了开关电流和纹波电流及负载损耗(I2R)。由于负载上的差分电压脉冲很窄,因而可以省去输出滤波器。只有在输出功率较大时,由于输出脉冲变宽,纹波电流增大,为了提高效率,才需要小型铁氧体有孔磁珠(ferrite bead)滤波器。图3为第三代调制方案的电压和电流波形。

第三代调制方案的电压和电流波形

  4  应用电路

  由TPA3007D1组成的6.5W BTL D类音频功率放大器电路如图4所示。图中,U1(TPA3007D1)的振荡器频率fosc可由20脚外电阻R1和21脚外的电容C12设定在250kHzfosc=6.6/(R5 ·C12)。放大器增益则可通过U1的3脚和4脚来进行设置.

由TPA3007D1组成的6.5W BTL D类音频功率放大器电路

  当TPA3007D1的5脚(SHUTDOWN脚)为高电平(大于2V)时,IC正常工作。若该脚被拉低,IC将进入关闭模式。在关闭状态,放大器输出静音,此时仅消耗1μA的电源电流。

  U1的OUTP和OUTN输出端连接的L1、C14和L2、C15可组成输出滤波器。其中,L1和L2为小型铁氧体片式有孔磁珠(ferrite chip bead)型号为Fair Rote 2512067007Y3。滤波器的截止频率为1MHz,可用来减小EMI,以使其符合FCC和CE标准规定。而L1和L2则应在高频时呈现高阻抗,在低频时呈现低阻抗。OUTP和OUTN脚与地连接的肖特基二极管D1和D2B130 用于吸收输出瞬态尖峰脉冲和进行输出短路保护。D1和D2在1A下的正向压降应低于0.5V,耐压则应大于30V。

  TPA3007D1内置短路检测电路。当电路发生短路时,输出驱动会迅速截止,从而使器件进入关闭模式。

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