Class-D比较器与PWM电路

PWM 比较器是 Class-D 放大器从连续时间模拟域进入采样（量化）域的转折点。它将误差放大器输出与三角波进行比较，生成变占空比的 PWM 脉冲序列。本章覆盖比较器关键规格、最小/最大占空比限制、削波检测电路，以及 PWM 占空比与输出电压的数学关系。来源：Class-D Audio Power Amplifier Design Ch3。

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1. PWM 比较器关键规格

在比较器之前，所有电路均为连续时间线性模拟电路；在比较器处，系统变为采样量化系统。参考设计（500kHz 开关频率）中，比较器每 2μs 周期做出两次 PWM 定时判决。

1.1 五项关键规格

规格	说明	参考设计选型
电源电压范围	越大越好，允许更大信号摆幅改善 SNR	±5V（LT1713）
传播延迟	<40ns 为”高速”；延迟 = 开环相位偏移，须最小化	7ns（LT1713）
输入电压范围	轨到轨输入最大化信号摆幅和 SNR	Rail-to-Rail
输入过驱容限	过驱时的行为（相位反转？）和电流限制	可超电源轨无相位反转
功耗	高效率设计要求最小化静态电流	8mA(+)/4.5mA(−)

1.2 传播延迟详解

传播延迟定义为输入信号越过切换阈值到输出切换（50% 上升沿）之间的时间延迟。它表现为开环响应中的相位偏移，必须最小化。

1.3 差分输入电压限制

某些比较器（如 TL3016）的输入端通过反并联二极管或稳压管钳位：

• 差分输入电压有限制
• 钳位导通 → 输入阻抗非线性 → 驱动电路负载变化 → THD 增大
• 设计建议：选择无差分输入限制的比较器，或确保工作范围不超限

1.4 输入过驱保护

LT1713 允许输入电流不超过 10mA 时超过电源轨。参考设计中比较器由 ±5V 供电，但误差放大器和三角波由 ±7V 供电，最坏情况下输入可能超比较器电源 2V：

$$R_{min}=\frac{2V}{10mA}=200\Omega$$

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2. 最小/最大占空比限制

2.1 为什么需要限制

固定频率 Class-D 放大器必须在每个开关周期都进行切换。若 PWM 达到 100% ON 或 100% OFF：

• 开关频率降至 0Hz（停止切换）
• 下管不切换 → 自举电源无法充电（见 Class-D自举偏置电路）
• 系统失去控制

2.2 脉宽生成电路

参考设计使用三个 LVC1G57 多功能逻辑门：

• U14A：上升沿触发脉冲（MPWRE），由 RAMP_SW 上升沿触发
• U15A：下降沿触发脉冲（MPWFE），由 RAMP_SW 下降沿触发
• U16A：组合 MPWRE、MPWFE 和 COMP_OUT 生成最终 PWM 信号

脉冲宽度由 R-C 值设定（R45A/C22A），目标 100ns，可缩短至 50ns（C22A/C23A 从 220pF 减至 120pF）。

2.3 LVC1G57 的施密特触发特性

每个输入具有迟滞：上升阈值 ≠ 下降阈值，确保干净切换、避免多次翻转。

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3. 削波检测

3.1 削波定义

“削波”（Clipping）指输出电压超出线性工作范围，通常以 THD >1% 为判定阈值。

3.2 削波原因

1. 音频信号在预放大/误差放大级超过电源轨
2. PWM 占空比达到最小/最大限制

3.3 削波检测电路

U17A（LVC1G57）配置为 XNOR 逻辑门：

• 输入：PWM 和 COMP_OUT
• 正常工作时两者相同 → XNOR 输出高
• 削波时两者不同 → XNOR 输出低（CLIP/ 信号）
• CLIP/ 脉冲可驱动 VGA、静音电路或限幅器

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4. PWM 占空比与输出电压关系

4.1 基本公式

占空比定义：

$$D=\frac{t_{ON,upper}}{T}$$

通用公式（独立正/负电源轨）：

$$V_{out}=V_p\cdot D+V_n\cdot (1-D)$$

对称电源轨（$V_p=+V$, $V_n=-V$）：

$$V_{out}=V(2D-1)$$

4.2 计算示例

参考设计：$f_{sw}=500kHz$（$T=2\mu s$），最大占空比 $D_{max}=95\%$，电源 ±48V：

$$V_{out,max}=48(2\times 0.95-1)=48\times 0.9=43.2V$$

输出在 +43.2V 处削波。对称地：

$$V_{out,min}=48(2\times 0.05-1)=-43.2V$$

4.3 削波的危害

危害	说明
高 THD	严重削波时波形趋近方波，RMS 功率翻倍
高频成分	快速 dv/dt 产生高频分量
过载	方波 90V 峰值 → 8Ω 上 1012W（正弦仅 506W）
失控	反馈环路饱和，DC 伺服失去控制

正弦 vs 方波功率对比（90V 峰值 / 8Ω）：

$$P_{sine}=\frac{(90/\sqrt{2}{)}^2}{8}=506W{P}_{square}=\frac{90^2}{8}=1012W$$

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5. 替代设计方案

采用 FPGA 实现 PWM 信号处理：

• 生成 RAMP_SW 和最小/最大占空比信号
• 检测和处理削波
• 提供更高灵活性和功能扩展
• 详见 Class-D数字应用与DSP

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参考文献

• Analog Devices. (2000). LT1713/LT1714 datasheet.
• Chenier, G. (2006). Configurable logic gates’ Schmitt inputs make versatile monostables. EDN.
• Texas Instruments. (2016). SN74LVC1G57 datasheet.
• Texas Instruments. (2013). Comparing high speed comparators. AN-87.

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