预补偿方法以减少Class D功率放大器的爆裂噪声

作者：英飞凌科技消费、计算与通讯业务首席工程师 林俊明

摘要

如今，Class D功率放大器在音频系统中被广泛使用。然而，在放大器启动或关闭时，以及在静音/取消静音切换期间，扬声器中经常会出现爆裂声或点击声。这些噪音可能会被听到，并使用户感到不适。在音频系统中静音功率放大器是避免在启动或关闭期间出现爆裂声的有效方法。此外，音频系统有时播放音乐，有时停止播放，这需要频繁地静音或取消静音放大器。因此，爆裂声是频繁静音和取消静音控制的关键问题。本文讨论了静音/取消静音过渡期间爆裂声的发生原因，并设计了相应的方法来抑制这些噪音。

简介

高效率和小尺寸的特点使Class D功率放大器非常适合用于高功率音频系统。图1是使用Class D功率放大器的典型音频系统。音频处理器将音频信号传送到功率放大器，同时它还可以控制功率放大器的启动和关闭。


图1：Class D功率放大器系统

Class D功率放大器输出与输入音频信号相对应的脉冲，A点和B点的脉冲由半桥开关产生。低通滤波器由电感和电容组成，为从这些高频脉冲中解调出的音频信号提供路径，解调后的音频信号通过扬声器，将电能转换为声能，然后被人的耳朵听到。如果用户在开始播放音乐或计划停止音乐时总是听到爆裂声或点击声，这将是非常糟糕的体验。


图2：Class D功率放大器原理图

图2是典型的Class D功率放大器原理图。OP1、CAMP1、驱动器和功率级A构成单端功率放大器A，同样，OP2、CAMP2、驱动器和功率级B构成另一个单端功率放大器B，扬声器连接在功率放大器单端A和单端B之间。OP1和OP2根据输入和反馈生成相应的误差信号，误差信号与比较器中的锯齿波进行比较，并触发输出响应宽度脉冲，锯齿波以固定的载波频率运行，在每个载波周期内，脉冲的占空比与误差信号的幅度成正比，以上过程称为小信号调制。调制脉冲是进入驱动器设备的源逻辑信号，驱动器根据输入逻辑脉冲打开/关闭输出功率级，以完成功率放大器的功率调制。低通滤波器从功率脉冲中解调音频信号，音频信号施加在SPKP和SPKN上。功率放大器可以通过静音禁用调制器和输出开关级，这意味着在静音阶段不会有任何瞬态阶跃信号施加在扬声器上，当然也不会有爆裂噪声。在音频系统开机或关机期间，所有电源轨都是不稳定的，让功率放大器在音频系统开机或关机前保持静音是避免更大爆裂噪声的必要措施。在电源轨供电稳定后，音频系统将让功率放大器从静音变为取消静音并准备播放音乐，不幸的是，如果功率放大器没有设计抑制方法，用户在那时仍会听到爆裂声或点击声。

预补偿方法

本章分析静音爆裂噪声的根本原因，然后演示如何使用预补偿方法来解决这个问题。


图3：理想条件下波形图

在音频系统开机并完成初始设置后，功率放大器的调制器和功率级应启用工作，我们称这个过程为取消静音。图3是显示取消静音过程的波形图，假设所有条件都是理想的。根据波形图，我们可以得出以下方程：
OP1=OP2
CAMP1=CAMP2
Mid point A=Mid point B
SPKP=SPKN=1/2 Vcc

因此，扬声器端子SPKP和SPKN之间的电压水平相同，没有电压偏差导致电流流入扬声器的线圈，当然也不会有点击或爆裂噪声。现在我们来看实际的模拟电路：元件的公差、参考点的位置不同、驱动器的时间方案差异、PCB走线因素等。所有这些差异导致A点的PWM与B点的PWM不匹配，即使在相同的初始条件下启动也是如此。图4是功率放大器从静音到取消静音时的实际波形。调制器开始工作并将占空比从小调节到50%，这是功率放大器在启动阶段的循环阶段，PWM的目标是在功率放大器环路稳定后保持输出平均水平等于1/2VCC。


图 4 ：实际波形

SPKP和SPKN是低通滤波器后的电压水平。由于A点的输出脉冲与B点的输出脉冲不匹配，SPKP将不等于SPKN，这会在扬声器端子之间产生容差电压，并驱动电流流入线圈，从而产生点击声或爆裂声。偏置电压幅度在环路稳定后将保持一定值，我们称这个偏移值为功率放大器的直流偏置电压，‘SPKN-SPKP’的波形显示了详细结果。直流偏置电压会在扬声器上造成功率损耗，当功率放大器静音时也会产生点击声或爆裂声，因为扬声器端子之间的偏置电压在从取消静音到静音时会从直流偏置电压变为0，这种过渡会使电流流入扬声器线圈，较大的直流偏置电压在静音时会导致更大的爆裂噪声。图5总结了扬声器在不同播放控制阶段的偏置电压。Vb是称为直流偏置电压的偏移电压。


图5：应用于扬声器的偏置电压

预补偿旨在减少输出脉冲的不匹配并降低施加在扬声器上的偏置电压水平，最终减少从静音到取消静音或从取消静音到静音时的爆裂噪声。从图4中我们知道，功率放大器在5-6个周期调节后最终输出50%占空比的脉冲，此外，功率放大器的开关频率超过300kHz，而人类的听觉范围是20Hz-20kHz，因此由50%占空比脉冲产生的直流偏置电压Vb是导致爆裂噪声的主要能量源，SPKN-SPKP从0到Vb的跃变是点击声的根本原因。减少Vb将抑制爆裂噪声。Vb是在稳定调制阶段的固定值，它是单端A和单端B之间的不平衡，因此Vb是调制器的校正参数。


图6：预补偿原理图和波形图

图6 预补偿原理图中，微调电阻Rc1和Rc2用于预补偿，微调电阻调整比较器上的直流电平并减少单端A和单端B之间的调制不匹配。以下方程解释了预补偿的工作原理。

        Vc1=Vc2,SPKN-SPKP=Vb

方程1显示了没有预补偿的功率放大器。调整Rc1和Rc2的值使以下方程成立。

        Vc1-Vc2=Vb

然后

        SPKP=SPKN

在预补偿之前，Vb可能为正或负。例如，SPKN>SPKP，那么需要调整Vc1>Vc2直到减去Vb的值。

实验



Power Amplifier        IRS2093 200W
Loudspeaker        KEF E301
V-Meter        Yokogawa N200
Sound meter        BSWA 308
图7：爆裂噪声测试平台

Figure 7 该平台用于爆裂噪声评估，V-Meter可以测量直流偏置电压，Sound meter可以测量来自扬声器的爆裂噪声的声压。静音按钮用于将功率放大器从静音切换到取消静音或从取消静音切换到静音，Sound meter的麦克风传感器与扬声器在同一条线上，Sound meter将测量扬声器的声压级。该平台设置在静音室中，然后分别进行有预补偿和无预补偿的测试，数据列在以下表格中。



测试结果表明，预补偿可以减少直流偏置电压，同时预补偿方法可以在静音到取消静音的过渡过程中抑制爆裂噪声。

参考文献
        Glen M. Ballou Editor. Handbook for Sound Engineers
        Bob Metzler. Audio Measurement Handbook
        Jun Honda, IRS2093M Functional Description
        Jun Honda& Jonathan Adams, Class D Audio Amplifier Basics
        Walt Jung/ADI, Op Amp Applications Handbook