Class-D电源设计

Class-D放大器的电源系统是其整体性能的基础支撑。本章讨论ACDC和DCDC电源架构、供电轨泵浦效应及其缓解方案、低噪声低压配电设计，以及LDO在噪声敏感模拟电路中的应用。电源设计的核心挑战在于：音频功率需求的高度动态性与OEM电源的恒功率规格之间的匹配。

17.1 电源分配架构总览

参考设计采用分层电源架构：

ACDC级：三个独立ACDC变换器
- ACDC1 → +48VDC（正高压轨）
- ACDC2 → −48VDC（负高压轨）
- ACDC3 → +12VDC（常开，辅助供电）
DCDC级：三个DCDC变换器 + 三个LDO
- Buck → +7VA（模拟正电源）
- Inverting Buck-Boost → −7VA（模拟负电源）
- Buck（参考−48V）→ −HV+12V（栅极驱动）
- LDO：+7VA→+5VA，−7VA→−5VA，+12V→+5VD

选择两个独立48V ACDC（而非双输出）的原因：单输出48V ACDC市面供应充足、体积小（2×4” open-frame），且支持REMOTE ON/OFF功能。

17.2 音频功率的动态特性

音频功率需求与OEM ACDC恒功率规格之间存在根本矛盾：

Peak-to-Average (dB) = 10 lo g_{10} (\frac{P _{p e ak}}{P _{a vg}})

音乐的峰均功率比典型范围：6~24 dB

参数	100W/8Ω	100W/4Ω
RMS电压	28.28V	20.00V
峰值电压	40.00V	28.28V
RMS电流	3.54A	5.00A
峰值电流	5.00A	7.07A
峰值输出功率	200W	200W
峰值输入功率（η=90%）	222.2W	222.2W

关键设计原则：ACDC电源需支持放大器的峰值功率需求（短时间），但从热设计角度仅需支持平均功率需求。这是因为音频峰值持续时间远短于ACDC变换器的热时间常数。

17.3 供电轨泵浦效应（Supply Rail Pumping）

17.3.1 原理

供电轨泵浦是半桥Class-D拓扑特有的现象。LC滤波器中的电感在每个开关周期存储能量，该能量从一个供电轨取出并回馈到另一个供电轨，导致被泵浦的供电轨电压升高：

Δ V_{R A I L - M A X} = \frac{V _{R A I L}}{2 π ^{2} \cdot F _{S I GN A L} \cdot R _{L O A D} \cdot C _{R A I L}}

最恶劣条件出现在：

轨电容最小（ $C_{R A I L} = 2200 μ F$ ）
音频信号频率最低（ $F_{S I GN A L} = 20 Hz$ ）
负载阻抗最低（ $R_{L O A D} = 4Ω$ ）
输出幅度为 $\frac{2}{π} V_{R A I L} \approx 30.56 V_{p e ak}$

17.3.2 参考设计计算

代入参数（ $V_{R A I L} = 48 V$ ， $C_{R A I L} = 2200 μ F$ ， $F_{S I GN A L} = 20 Hz$ ， $R_{L O A D} = 4Ω$ ）：

Δ V_{R A I L - M A X} = 17.27 V

供电轨电压可泵浦至： $48 V + 13.82 V = \pm 61.82 V_{p e ak}$ → 需使用63V额定电容。

17.3.3 LTspice仿真要点

无电流限制时：100W/4Ω/20Hz → 泵浦峰值约±60V，峰值电流约6A
电流限制时（2.17A/每轨=104W）：输出电压降至26.5Vpeak（87.78W），轨电压范围30.8V（droop）~50.0V（pump）
低频信号加剧泵浦效应，因为电容放电时间更长

17.3.4 泵浦缓解方案

方案	原理	适用场景
全桥拓扑	单电源轨，正负信号均从同一轨取电	根本消除泵浦
反相立体声对	两通道输出反相，低频内容互相抵消泵浦	半桥立体声设计
BTL连接	两通道反相驱动同一负载，完全消除泵浦	单扬声器大功率

反相立体声对原理：低频（bass）缺乏方向性，左右声道低频内容近似相同。将B通道输入反相后，AMP A正半周从正轨取电/向负轨泵浦，AMP B负半周从负轨取电/向正轨泵浦，两者互相抵消。

17.4 辅助ACDC电源（Housekeeping）

+12VDC辅助电源始终开启，为DCDC变换器供电。选择+12V作为DCDC分配轨的原因：

12V ACDC变换器供应充足、PCB封装可选
12V输入DCDC变换器种类繁多
12V输入DCDC效率优化良好
+12V可用于风扇供电（无风扇设计优先→降低环境噪声、提高可靠性）

17.5 低压配电设计

17.5.1 电源轨噪声分级

电源轨	用途	噪声要求	方案
+5VD	数字电路、监测比较器	低	DCDC直接供电
+7VA / −7VA	运放模拟电路	中	低噪声DCDC
+5VA / −5VA	PWM比较器（极敏感）	极低	DCDC + LDO
−HV+12V	栅极驱动（参考−48V）	中	Buck（75V输入）

17.5.2 LDO效率

η_{L D O} = \frac{V _{o u t}}{V _{in}} = \frac{5 V}{7 V} = 71.43%

2V压差在效率与PSRR性能之间取得良好平衡。

17.6 DCDC变换器详解

17.6.1 同步整流Buck（+7VA）

选型要求：

小封装、低成本
强制连续模式（Forced CCM/FPWM）
高固定开关频率 → 小元件
适当的输出电流能力

17.6.2 连续模式 vs 断续模式

连续导通模式（CCM/FPWM）：

电感电流永不为零，平滑斜坡波形
峰峰值纹波电流小，噪声潜力低
零负载时仍保持连续（电流双向流过电感）

断续模式（DCM）：

电感电流周期性归零（“电感干涸”）
锯齿波形，高峰均比
更多振铃和噪声潜力

17.6.3 电感饱和保护

选择buck电感时需考虑过流保护：

确认控制器过流跳闸阈值（peak switch current）
电感在该电流下不得饱和
“软饱和”电感可允许约30%部分饱和，仍保留足够电感量以限制di/dt

17.6.4 反相Buck-Boost（−7VA）

拓扑特征：

电感接地，返回网络变为−7VA输出
等效于19V输入、7V输出的buck工作模式
Schottky二极管D7辅助启动：+12V→D7→控制电路获得11.5V启动电压
启动后−7VA逐渐建立，输入电压从11.5V升至19V

17.6.5 固定频率优势

所有DCDC采用固定频率工作：

噪声频率已知且固定，便于滤波
每个DCDC有独特”签名”（频率+占空比），便于EMI问题溯源
即使多个DCDC编程为同频，实际频率略有差异，可在调试中区分

17.7 开关电流抑制与PCB布局

Buck变换器的输入电流为断续脉冲波形，若流入地平面会产生干扰电压。抑制方案：

添加输入/输出扼流圈（ $L_{I N}$ 、 $L_{O U T}$ ）→ 输入输出电流变为近似DC
星形单点连接：输入电容返回端、输出电容返回端、控制器GND端在PCB布局中汇于一点
开关电流不流经地平面，消除共阻抗耦合

17.8 极性保护二极管

双极性供电（±7VA）驱动跨接负载（如运放）时，一个电源轨可能拖拽另一个至极性反转：

D6（+7VA输出）：防止−7VA先将+7VA拉至负压
D7（−7VA输出）：防止+7VA先将−7VA拉至正压，同时辅助U30启动

17.9 LDO选择

U32/U34选择标准：

低输出噪声
高PSRR（电源抑制比）
高输入电压额定值
2V压差 → 良好的PSRR + 可接受的功耗

即使+5VD（数字轨）不需要低噪声，也选用相同LDO型号 → 简化BOM。

参考文献

Analog Devices. (2019). ADP7182 Datasheet, Rev. M.
Analog Devices. (2024). ADP7142 Datasheet, Rev. I.
Honda, J., & Cerezo, J. (2003). Class-D audio amplifier design tutorial. International Rectifier.
Maxim Integrated. (2010). Avoid overvoltage stresses by minimizing power supply pumping on Class D amplifiers. Tutorial 4260.
Mendenhall, E. (2005). SMPS for audio power electronics. Switching Power Magazine.
RECOM. RAC04-GB ACDC Datasheet.
Texas Instruments. (2018). TPS560430 Datasheet, SLVSE22B.

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