Class-D辅助电路与UVLO

本章介绍Class-D放大器的辅助电路（Housekeeping）和欠压锁定（UVLO）设计。这些电路负责监测所有供电轨电压，确保功率级仅在全部电压达到最低工作电平后才允许开关，防止不受控输出导致扬声器损坏或器件故障。

13.1 辅助电路与UVLO的作用

辅助电路的核心功能是监测与控制：

监测对象：

• 电压条件（低压和高压供电轨）
• 电流条件
• 温度条件

控制类型：

• 使能/禁用控制与时序
• 继电器触点闭合
• PWM占空比控制
• 增益控制

区分：辅助电路负责正常工况监测，与保护电路（故障检测与响应）功能有所重叠但定位不同。

13.2 UVLO基本原理

13.2.1 为什么需要UVLO

功率MOSFET能开关高电压大电流。若控制电路（调制、反馈、栅极驱动）供电不足：

• 产生错误输出信号
• 导致功率级失控
• 轻则产生可闻爆音、咔嗒声
• 重则器件损坏、扬声器损坏

核心原则：在所有关键供电轨电压合格之前，必须禁止功率处理和开关。

13.2.2 MOSFET栅极驱动UVLO

MOSFET的 $R_{DSON}$ 在 $V_{GS}=10V$ 时最优。当 $V_{GS}$ 低于约8V时，$R_{DSON}$ 显著增大，不可靠。

UVLO设计：

• 监测栅极驱动IC供电轨（$V_{CC}$），因为驱动器输出饱和到正轨
• 典型阈值：上升9V，下降8V（1V迟滞）
• 现代栅极驱动IC通常内置UVLO功能

13.3 迟滞的必要性

13.3.1 消除多次触发

单阈值比较器在阈值附近受电压噪声影响会多次翻转，产生不稳定的使能/禁用信号。

13.3.2 防止”汽船声”（Motorboating）

当功率级开启时，负载电流可能导致供电电压下降。若无迟滞：

1. 电压达到阈值 → 功率级开启
2. 功率级开启 → 供电电压下降（因线路阻抗）
3. 电压跌破阈值 → 功率级关闭
4. 电压恢复 → 回到步骤1，无限循环

迟滞解决方案：设置开启阈值与关闭阈值之间的差值大于功率级开启引起的压降。

13.4 协调式UVLO设计

13.4.1 各级最低工作电压

参考设计中的关键器件最低工作电压：

器件	最低有效供电电压
Si8244BB栅极驱动器	$V_{DDI}\ge 3.3V$（内置UVLO）
LM339比较器	$V_{CC}\ge 2.0V$
2.5V基准源	$+5VD\ge 3.2V$
LVC逻辑门	$V_{DD}\ge 1.65V$

13.4.2 上电时序协调

1. +5VD从0V上升：栅极驱动器内置UVLO（3.3V阈值）阻止功率MOSFET导通
2. 低于3.3V：比较器和逻辑门输出不可靠，但被栅极驱动器UVLO忽略
3. 达到3.3V：比较器和逻辑门输出已有效，控制权转移到外部UVLO电路
4. 外部比较器逐一验证各供电轨：全部合格后才能启用功率级

13.5 参考设计电路详解

13.5.1 比较器选型（LM339）

• 宽供电范围：2V–36V
• 开集电极输出：支持线或（wire-OR）连接
• 低功耗：<200μA/比较器
• 传播延迟：200ns典型
• 输入电流：最大500nA（10kΩ–100kΩ分压电阻引入误差小）
• 输入可承受超过供电轨的电压

13.5.2 低压轨监测（U6）

四路比较器监测 +5VA、−5VA、+7VA、−7VA：

• 每路具有迟滞，防止抖动
• 开集电极输出线或连接：任一路不合格 → 合并输出为低
• 全部合格 → 合并输出为高

低压轨UVLO阈值：

供电轨	上升阈值	下降阈值
+5VA	+4.285V	+4.215V
+7VA	+6.033V	+5.963V
−5VA	−4.515V	−4.387V
−7VA	−6.012V	−5.845V
+5VD	+4.697V	+4.65V

13.5.3 负电压检测技巧

比较器由单正电源（+5VD）供电，输入范围0V到约3V。检测负电压轨的方法：

• +2.5V基准分压后施加到比较器正输入端
• 负输入端连接从+2.5V基准到负电压轨的分压器
• 当负电压轨足够负时，将负输入端拉低到低于正输入端 → 输出翻转

13.5.4 高压轨启用流程

1. U6合并输出连接到U9（电压检测IC）的MR/引脚
2. U9自身验证+5VD轨（阈值4.697V）
3. 全部合格后，U9提供1秒延时（由 $C_T=C129$ 设置），等待低压电源稳定
4. 延时后RESET/输出变高 → 驱动Q15 → Q14导通 → LV_OK信号有效
5. U11（AND门）要求LV_OK和LATCH/均有效 → HV_ENABLE信号启用高压轨（±48V）

13.5.5 高压轨监测（U7）

U7四路比较器提供UV和OV检测：

高压轨	UV上升阈值	UV下降阈值	OV上升阈值
+48V	+35.77V	+34.47V	+57.75V
−48V	−34.84V	−34.11V	−58.13V

OV检测无迟滞：过压是故障条件，需要最快响应。

13.5.6 高压使能延时

HV轨超过UV阈值后，R-C延时电路提供不对称延时：

• 充电时间常数：$(R134+R135)\times C130=10221\Omega \times 10\mu F=102.21ms$（延时开启）
• 放电时间常数：$R135\times C130=221\Omega \times 10\mu F=2.21ms$（快速关断）

设计理由：开启需要延时等待HV电源稳定；关断应尽快执行（UV条件下HV已在下降）。

LVC1G57的施密特触发器输入允许缓慢变化的R-C信号干净切换。

13.6 +2.5V基准源设计

13.6.1 并联基准（U8）偏置

U8为分流式（shunt）电压基准，需偏置电流才能稳压。

设计要求：

• 基准负载电流：1mA（比较器分压器）
• U8最低偏置电流：70μA
• 在+5VD=3.3V时提供1.07mA → 偏置电阻 $R=(3.3V-2.5V)/1.07mA=746\Omega$ → 选用750Ω

功耗分析（+5VD=5V时）：

• 偏置电阻电流：$(5V-2.5V)/750\Omega =3.33mA$
• U8分流：$3.33mA-1mA=2.33mA$
• U8功耗：$2.33mA\times 2.5V=5.83mW$
• 偏置电阻功耗：$3.33m{A}^2\times 750\Omega =8.32mW$

13.6.2 恒流源偏置方案（高压供电场景）

当偏置电源电压较高（如+15V）时，简单电阻偏置功耗过大（247.48mW）。

恒流源方案（PNP + 二极管偏置）：

• 在3.3V时：$I_E=0.6V/332\Omega =1.80mA$，满足最低偏置需求
• 在15V时：$I_E=0.9V/332\Omega =2.71mA$，电流基本恒定
• 总功耗：91.04mW（节省156.44mW）

13.7 LVC逻辑门选型

• LVC系列：1.65V–5V供电，未上电时无输入负载
• 单门逻辑（如LVC1G57）：PCB布局灵活，避免使用集成多门封装导致的走线过长
• LVC1G57多功能门：可配置为多种逻辑功能（AND、OR、MUX等）

参考文献

• Skyworks Solutions (2021). Si824x Class D audio driver datasheet. Rev. 1.0.
• TI (2008). LM4040 Precision micropower shunt voltage reference. SLOS456K.
• TI (2016). SN74LVC1G57 Configurable multi-function gate. SCES414P.
• TI (2018). LM339 Quad differential comparators. SLCS006U.

相关页面

• Class-D保护电路 — 故障检测与保护响应
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