小体积400W D类音频功放的设计与实现

发布时间：2020-09-18 22:10

　　音频功放在各类音响设备中应用广泛,人们在追求功放高保真的同时,也希望有更高的效率和更大的输出功率。D类音频功放因其体积小、效率高、功耗低等优点逐渐取代传统模拟音频功放。目前,市场上的D类音频功放有一些不足之处:大功率的D类音频功放体积较大,设备制造商常常因为其体积而增大整体设备的外形;而体积较小的D类音频功放功率等级往往不能满足要求,且该类设备往往运用于有空间限制的场景。因此,本文针对该问题展开研究和讨论,从D类音频功放的原理开始分析,从模块化设计入手,进行PCB设计和样机实现。基于仿真和实验测试表明,本文所设计的D类音频功放在保持体积较小的同时具有较大输出功率,是一款“可握在手里”的数百瓦高保真D类音频功放。本文主要工作如下:1.比较了几种传统音频功放和D类音频功放的优缺点,并且详细描述了D类音频功放的工作原理。阐述了几种D类音频功放的调制方式及输出级电路,在此基础上提出本文的系统框架,其中着重解释Sigma Delta调制技术在D类音频功放中的重要作用。2.设计了D类音频功放各个构成模块,进行相关仿真验证电路设计的可行性,其中包括前级放大电路、驱动电路、滤波电路和保护电路等。一方面,选择合适的控制芯片和功率元件;另一方面对电路的参数进行详细设计以使得电路性能达到最优。辅助电路采用开关电源,为功放提供必要的供电。3.为实现小体积的要求,本文给D类音频功放设计了四层PCB电路板,并优化PCB的布局和走线,使功放体积和音效都达到最优,进行了专业的散热处理。对样机进行测试实验,包括辅助电源模块,D类音频放大模块以及整机性能,调试相关参数使得测试结果达到最优。所设计的D类音频功放,空载情况下为18W,在带8Ω负载的情况下,最大输功率为404W,电压放大倍数为36.8倍,增益为31dB,THD+N小于0.03%,声音保真度完全达到了专业级音频功放的水平。进行高温实验、开关机实验和扫频实验,所设计的D类音频功放能正常工作,完全符合设计要求。最后,本文设计并实现了一款音质媲美HIFI功放的小体积400W的D类音频功放,并用实验验证了安全可靠性,达到了批量生产的要求。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN912.2
【部分图文】：

示意图,交流负载线,共射放大电路,功率管

放按照其功率管的工作方式主要分为模拟功放和数字功放两大类功率放大器，在正常工作时，功率管工作在放大区；数字功放就，是一种非线性功率放大器，在正常工作时，功率管工作在开模拟功放按照电路正常工作在一个标准正弦信号周期内，功率管 A 类、B 类、AB 类三种主要类型[8]。模拟功放由于功率管工作在的音频信号进行线性放大，放大后的音频信号具有很高的保真度损耗和低效率的缺点，往往需要配置笨重的散热器。下面对 A 类理进行简单介绍，着重分析其工作效率。功放放也称为甲类放大器，是最简单的放大器。它的输出晶体管导号输入，晶体管始终处于导通状态并消耗功率。下面通过基本共大器的效率和工作原理[9]。

示意图,功放,推挽,B类

第二章 D 类音频功放的原理ηmax=25%说明即使我们设计出一款完美的 A 类音频功放，其效率也不会超过 2的 75%能量会以热能的形式散发出去，大量的热积累会使得 A 类功放的电路严重，电路性能衰退，更为严重时会烧毁器件。在具体设计中，为了保证电路与安全性，需要设计体积很大的散热器，这样就增加整个电路的制作成本。2 B 类功放B 类放大器也称为乙类放大器。其输出晶体管导通角为 180o，B 类放大器的工把 A 类放大器的静态工作点 Q 往下移，使得在输入信号为零的情况下，晶体于开启电压，晶体管关断，输出功率为零[10]。

功放,三极管,B类,效率

图 2-3 B 类功放交越失真情况下 B 类功放的效率。当三极管截止时，流过三极管零。所以在静态时三极管不消耗功率，当三极管导通时sino pV =V t出电压的幅度，最大值为 VCC。当 NPN 管导通，PNP 管1sino PL LV V tiR R = =内 NPN 消耗的功率为：NPN 1 CE1P = i v1sinCE CC o CC Pv = V v = V V t

【参考文献】