防破音D类音频功放的设计与应用

杜 虹，阮 颐，刘燕涛

（上海贝岭股份有限公司，上海 200233）

1 引言

随着多媒体便携设备的普及，音频功放已经成为音频部分的标准配置，用户不再满足于响亮地播放个性化的音乐，继而对音频功放提出了更高的要求：消耗更少的电流以延长电池的使用时间，在整个音频范围内提供完美音质，良好的射频抑制能力减小电流声，稳定的输出功率以确保扬声器不受损坏。D类功放以其高品质高效的特点得到了越来越广泛的应用。

随着D类功放的普及，又出现了新的问题。在用便携式设备播放乐曲时，不同的音乐文件音量大小都存在差异，在连续播放时经常需要进行音量调节。即使对于同一首歌曲，波形幅度的动态范围也会在40dB～60dB范围内变化。因此音量变化时需要频繁地调整音量，否则不是声音太小，淹没在噪声里，就是出现了削顶失真。手机用户在通过扬声器播放音乐的时候，通常喜欢把音量调到最大来表现手机的震撼力。但是，音量的增加受到了电池电压和扬声器、音腔的约束，都会有一个最大的不失真输出幅度，超过了这个幅度就会产生削波失真。失真的信号一旦超出扬声器的额定功率，就会造成扬声器的损坏，增加手机的返修率。采用防破音的D类功放，可以通过自动增益调节技术来提供一个完美的解决方案。

2 防破音D类音频功放的设计

2.1 关键参数

防破音功能通常采用的是专业音响系统中的压缩/限幅技术（Compression & Limiting），有门限阈值、启动时间和释放时间等重要参数。

（1）门限阈值（Threshold Threshold）：启动防破音功能的阈值电压大小，就是系统所允许的最大不失真输出幅度。

（2）启动时间（Attack Time Time）：从检测的信号超过阈值电压后，到压缩功能全部展开的时间。启动时间很大程度上取决于被处理声音信号的种类和希望得到的特点：短的启动时间通常使声音“圆润”，很快就可以使声音进入完全的压缩状态；长的启动时间可以较好地反映悠长、缓慢变化的信号。典型的启动时间范围是1ms～100ms。

（3）释放时间（Release Time Time）：与启动时间相反，释放时间是检测信号低于阈值电压时，压缩功能完全释放的时间。与启动时间一样，释放时间的选择也取决于被处理声音信号的种类和希望得到的特点：短的释放时间可以很好地响应快速变化的声音信号，比如急促的枪炮声和尖锐短暂的报警声；长的释放时间会使声音平滑，柔和。典型的释放时间范围是20ms～5s。

图1是不同参数设定情况下的时序特点。

图1 防破音时序特点示意图

2.2 常见的防破音技术

常见的防破音技术有AGC和ALC两种电路，如ADI的SSM2317就采用了ALC技术。

ALC电路的原理框图如图2所示。

图2 ALC防破音技术框图

ALC技术通过检测第一级预放大电路的输出幅度来自动调节其输入阻抗。当第一级输出的幅度过大容易引起破音时，ALC电路给出控制信号，将输入电阻降低一个台阶。ALC技术由于其非连续的调节系统增益通常会带来一些不太悦耳的声音体验，如声音突变，毛刺音等。

2.3 改进型的AGC控制技术

本文设计了另外一种改进型的AGC控制，通过对PWM输出的采样来判断破音程度，依据破音程度用防破音电路调制产生的PWM波形来自动调节第二级积分器的运放增益。使得PWM比较器输出的PWM控制波基本达到无失真。其框图如图3所示。

图3 改进型的AGC控制防破音技术框图

图3为本文设计的改进型AGC控制防破音电路的原理图。传统的D类功放一般由1、2、3、4组成。音频信号经过前置放大器1放大以后送入积分放大器2滤波放大，滤波放大后的音频信号送入PWM调制模块3产生包含音频信息的PWM信号，PWM信号经过驱动与H-桥电路后向外部扬声器输出脉冲驱动信号。现有的防破音电路由加入的5、6、2组成。破音采样电路5从PWM的输出信号进行破音采样，当PWM信号出现破音时，信号会出现较长时间的高电平或者低电平，此时破音采样电路给破音采样电容充电产生破音采样电压。防破音开关控制电路6根据破音采样电压输出一定占空比的矩形波，最终控制破音开关7的开关。7打开时，D类放大器正常放大；7关闭时，放大器输出为共模电平。从而降低PWM信号的占空比，消除破音。

在本文设计的电路中，门限阈值这一参数取决于破音采样部分的采样频率，启动时间这一参数取决于电容的充电速度，释放时间这一参数取决于电容的放电速度。改进型的AGC控制防破音电路的最终效果如图4所示，当输入信号的幅度增加时，其电路自动平滑地减小系统的环路增益，确保在一个较大的动态输入范围内输出无失真。

图4 改进型的AGC控制实测效果

3 应用和实际测试结果

便携设备对音频功放的要求是体积小，外围简单。如图5所示，防破音的D类功放只需很少的外围元件就可以正常工作。

防破音功能采用的是自动增益调节/限幅技术，当功放检测到输出信号超过阈值电压后，此时功放输出音频信号处于削顶失真状态，幅度检测电路产生一个与失真度相关的信号（Vagc），自动增益调节电路根据Vagc信号减小PWM调制器的输入信号幅度，从而减小了功放的输出幅度，降低系统增益，减小削顶失真，直到输出音频信号处于正常非失真状态。同样，当输入信号较小、功放输出无削顶失真时，幅度检测电路的输出Vagc=0，自动增益调节电路不对PWM调制器的输入信号幅度衰减，系统增益即为固定的初始增益。图6为防破音功放在便携式系统中实现自动增益调节的实测结果。

图5 应用原理图

图6 防破音功能的实测结果

在便携式系统中，无论歌曲音量大小的差异还是电池电压的波动，都可以通过选用带防破音功能的音频功放，来实现最大不失真的功率输出，得到响亮而完美的音质。

4 结论

随着全球范围内能源的日益紧张，电子系统对于能效方面的要求也逐步提高，尤其电池供电系统对功耗的要求更为苛刻。未来，市场对于高效率的D类功率放大器的需求会逐步增加。带防破音功能的D类放大器以其独特的优势，给音乐爱好者带来高品质的体验，它在便携设备中的应用具有广阔的前景。

[1] 王伯禹，等.如何为手机等便携设备选择合乎要求的音频功放 [J].集成电路应用，2010, 2.

[2] 上海贝岭股份有限公司.音频功放的关键指标[J].END电子设计技术，2009, 12.