为实现音质补偿和保护的高电压D类放大器输出电流监控电路设计
发布日期:2022-05-20
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电路中的电流信息可提供有关电路状况的有用信息。电流监控电路广泛用于各种仪器仪表领域，以便实现保护、补偿和控制。电流监控的常见应用有电池监控系统、电机控制、过流保护和4 mA至20 mA系统，等等。此外，电流监控在音频等商业应用中也很有用。此类应用之一是监控音频放大器输出到扬声器的电流，以便提供音质补偿和保护。
音频放大器必须以高效率、低失真的方式再现输入音频信号。在20 Hz到20 kHz音频频率范围内，它应具有良好的频率响应性能，以便忠实地再现声音和音乐。音频放大器可能需要提供从数毫瓦(用于个人音乐播放器和耳机)到数百瓦(家用和商用音响系统，如剧院、会堂、室外音响系统等)不等的输出功率。本文聚焦于工作在高电压范围的扬声器输出电流监控电路，该电路使用的主要器件是D类放大器、差动放大器AD8479和ADA4805-1。
基本的D类放大器信号流程
音频放大器分为多个类别：A类、AB类、B类和D类。与其他类别放大器相比，D类放大器效率 高，可提供高输出功率驱动。某些商用D类放大器提供每通道1500 W到每通道6000 W的功率能力。
D类放大器可以简单地描述为开关放大器或脉宽调制(PWM)放大器。下图显示了一个基本D类放大器的信号流程。
典型D类放大器的工作过程是从比较器开始。一个频率通常介于20 Hz到20 kHz的标准模拟音频信号与一个高频三角波形比较以产生PWM信号。随后，PWM信号驱动输出晶体管，产生一系列电压可能很高的脉冲。 后，一个低通滤波器恢复正弦音频信号。不切换时，通过输出晶体管的电流为0；低导通电阻降低I2R损耗，从而显著减少输出级的总功率损耗。这样便可实现高效率。
即使D类放大器具有高效率和高功率运行优势，某些技术仍能改善音频质量，例如使用反馈和预失真机制。下图显示了一个使用反馈机制的基本D类放大器。在反馈机制中，输出信号(通常来自滤波器)被送至输入端的误差校正模块。误差校正模块可以是全模拟式，或者采用数字处理故意使音频信号预失真，从而校正输出瑕疵并改善音频输出质量。除了?扬声器的固有非线性之外，扬声器阻抗因为温度和老化而变化的趋向也可能引起这种瑕疵。
电流监控电路可以获取要反馈的数据进行误差校正。选择适合这种用途的器件的挑战在于：器件必须足够鲁棒以便接收音频放大器输出端的高压脉冲。AD8479可以满足这一要求，因为即使存在高输入共模电压，它也能工作。电路中还加入了ADA4805-1，作为低失调、低噪声的模数转换器(ADC)驱动器。
AD8479是一款精密差动放大器，即使存在高达±600 V的共模电压，它也能 测量差分信号。图3所示的输入共模电压与输出电压的关系曲线表明了这种能力。它具有以下特性：低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差漂移、出色的共模抑制比(CMRR)和宽频率范围。在本应用笔记中，AD8479配置为高端电流检测放大器，用于监控D类音频放大器的电流。AD8479同时具有130 kHz的带宽，可满足音频应用的带宽需求。
采用AD8479和ADA4805-1的电流监控电路
ADA4805-1是一款低输入失调电压和低输入失调电压漂移轨到轨放大器。ADA4805-1的增益设置为10，产生的输出电压通常在下 的输入电压范围内。下 通常使用逐次逼近型(SAR) ADC来处理音频信号。所用的D类放大器为一款25 W到500 W可扩展输出功率D类功率放大器。该放大器配置±50 V电源电压，提供1 kHz正弦输出。AD8479输出馈送到ADA4805-1输入，后者用作ADC驱动器，增益为10。电阻容差应较低，以免电路产生较大失调漂移。
对于本电路所用的D类放大器，流经检测电阻(RSENSE)的电流为4.74 A，产生475.71 mV峰值的满量程电压。共模电压为37.9 V峰值。
电流监控的主要误差源分析
CMRR表示器件抑制各输入端共模干扰信号的能力。数学上，它指共模增益变化与差分增益之比。如果存在高共模电压，尤其是当测量小差分信号时，此参数常常是 大的误差贡献因素之一。CMRR产生一个对应的输出失调电压误差，该误差是系统总误差的一部分。AD8479的额定CMRR为96 dB。另一个误差源是失调电压。满量程信号越小，失调电压贡献的误差越大。
AD8479的输入失调电压为1 mV，转换为ppm时，贡献满量程(FS)的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失调电压，其乘以增益10，故而失调电压引起的总误差为满量程(FS)的3352 ppm。此外，数据手册显示AD8479具有0.02% FS的增益误差，因而AD8479给电路带来的误差为200 ppm FS。
表1和表2分别汇总了AD8479和ADA4805-1的主要误差源。AD8479失调电压贡献的误差 大，在37.9 V输入共模电压下，其为2102 ppm FS。共模电压贡献的误差为1262 ppm FS。这里，对于37.9 V共模电压和0.1 检测电阻(参见图1)，失调电压贡献的误差 大，输入共模电压次之，不过，如果共模电压更大，它将成为 大的误差来源。例如，在250 V共
模电压下，共模误差贡献为8329 ppm FS。对于高电压D类放大器，这种共模电压是很常见的。此外，检测电阻越大，其引起的压降越大，导致满量程电压提高，这 终会降低所有误差贡献。
下图显示了电流检测电路的响应测试结果。其中还包括AD8479的输入电压、AD8479的输出电压和ADA4805-1输出端的放大信号。大约4.74 A的电流流入检测电阻和负载。反相输入端信号约为±38 V，大约±500 mV出现在AD8479输出端，这显示了AD8479在高共模电压存在的情况下测量差分信号的能力。
实测电流和电压
实时监控不仅需要高 器件，还要求快速响应，以便应对目标电流的突然变化。输出信号的变化速度必须跟得上输入信号的变化速度，这就需要在很短的时间内正确解读扬声器的电气状态，甚至短路事件。
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