一种基于BCD工艺的功率放大芯片电路设计和版图实现

论文摘要

全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求,迫使人们尽快研究开发高效、节能、数字化的音频功率放大器。针对这一现实数字音频功放应运而生,并以高效率、低失真、低成本等优点日益成为音响领域的主流。数字音频功放的高效率、低失真等优点与其后级开关功率放大器有着直接的关系。后级功率放大电路的转换速率、瞬态响应、动态范围、相移、电源转换效率、驱动负载能力等将直接影响着整体电路的性能,因此后级功率放大电路设计是数字音频功放系统设计的重要环节之一。H桥开关功率放大器凭着高效率、大功率等优点成为后级开关功率放大器的主流。本文在分析国内外数字音频功放及后级开关功率放大器现状的基础上,采用JAZZ的0.5umBCD工艺,设计了一种高效率宽功率输出范围的数字音频H桥功率放大电路。该电路实现PWM（Pulse Width Modulation,脉宽调制）信号放大,输出兼容4Ω、6Ω、8Ω多种扬声器负载,电源电压范围为6V～16V,最大有效输出功率为27W（4Ω负载,16V电源电压）,最大效率为81%（8Ω负载,16V电源电压）,具有过流、过温、过压保护功能,并且还具有状态输出端,便于电路的测试。本文取材于教研室音频功放项目,设计的功率放大级电路具有以下特色:（1）宽电源电压输入范围实现了宽功率输出:本芯片采用高低压分别供电的方式,其中逻辑电路和保护级电路采用3.3V低压源VDDL供电,H桥输出结构由6V～16V的电压源VPOWER供电,本芯片的功率输出范围为2W（8Ω负载,6V电源电压）～27W（4Ω负载,16V电源电压）。（2）高效率输出:电路具有较高的输出效率,最大效率为81%（8Ω负载,16V电源电压）。（3）各种保护级电路和便利的可测试性:本芯片具有过流保护、过温保护和过压保护功能,其中过流保护电路设计区别于以往的过流保护设计,具有更高的精度。芯片中的状态输出电路能反应芯片的各种工作状态,便于芯片的测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 数字音频功放发展历程及应用
• 1.1.1 音频功放的发展历程
• 1.1.2 数字音频功放与模拟音频功放的比较
• 1.1.3 数字音频功放的工作原理
• 1.1.4 数字音频功放的应用
• 1.2 数字音频功放及开关功率放大器的国内外现状
• 1.3 数字音频功放及开关功率放大器的发展动态
• 1.4 本文主要内容及安排
• 第二章 H桥功率放大原理及总体电路设计
• 2.1 数字音频功放系统结构
• 2.2 PWM信号分析
• 2.2.1 PWM信号产生原理
• 2.2.2 PWM调制的两种方式
• 2.3 H桥功率放大原理分析
• 2.3.1 两种桥式开关功率放大器对比
• 2.3.2 H桥工作原理
• 2.3.3 H桥开关功率放大原理
• 2.4 总体电路设计及性能指标
• 2.4.I H桥功率放大电路总体电路设计
• 2.4.2 H桥功率放大电路总体电路性能指标
• 第三章 H桥功率放大电路子功能模块设计与实现
• 3.1 H桥开关及其驱动电路
• 3.1.1 H桥开关电路
• 3.1.2 电压自举电路
• 3.1.3 反相器驱动级
• 3.1.4 电平位移电路
• 3.1.5 死区电路
• 3.1.6 低通滤波电路
• 3.2 外围电路设计
• 3.2.1 基准电压源
• 3.2.2 过温保护电路
• 3.2.3 过流保护电路
• 3.2.4 过压保护电路
• 3.2.5 始能控制和状态输出电路
• 第四章 总体仿真及主要性能指标仿真
• 4.1 总体电路及典型应用
• 4.2 总体电路功能仿真与验证
• 4.2.1 PWM输入信号的功率放大功能验证
• 4.2.2 还原正弦信号功能验证
• 4.3 总体电路主要性能指标仿真
• 4.3.1 功率管Ron仿真与计算
• 4.3.2 功耗仿真及计算
• 4.3.3 效率仿真及计算
• 4.3.4 失真度分析
• 第五章 版图设计
• 5.1 版图设计基本流程及工具
• 5.2 版图设计方法
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果