基于高性能MCU大功率低失真D类功放的实现方法

技术领域

本发明属于音频功放领域，涉及STM32F407控制的高性能及便捷人机交互的D类音频功率放大器的设计与制造，具体涉及一种基于高性能MCU大功率低失真D类功放的实现方法。

背景技术

甲乙类功放是利用功率管的线性放大区，直接对音频进行线性放大，其电压加在功率管上，功率管功耗很大。D类功放是将输入信号与三角波进行比较后驱动半桥，经滤波后得到功率放大后得音频。由于其功率管工作在开关状态，与甲类、甲乙类等线性功放相比效率高，损耗低，不需要体积大的散热器散热，因此总体体积小。并且由于场效应管的制造工艺日渐成熟，GaN、SiC等高性能场效应管已经应用于大功率电器，绿色环保又便携的D类功放将更加具有竞争力。

THD+N是衡量音频功率放大器的重要指标。目前市面上大部分的集成功率放大器在低功率情况下THD极小，但在大功率情况下无论是D类功放还是线性功放THD均呈指数型增加。D类功放以TDA8920为例，其双声道最大输出功率为200W，1W功率下THD仅为0.2％，但最大功率情况下THD为10％。甲乙类功放以LM1875为例，测试频率1Khz，功率20W情况下THD仅为0.015％，在30W时THD便超过了1％。并且甲乙类功放效率很低，最大仅为78.5％，大功率工作时需要极大的散热片。因此无论是D类集成功放还是甲乙类集成功放均不适用于大功率场合，且人机交互性能差，无法直接对放大的音频进行数字处理。

本设计利用STM32F407最小系统的数据处理能力，直接对音频信号进行运算处理。将输入的音频信号与高级定时器的三角波比较后，输出互补带死区的PWM，驱动场效应管。为了使功放在大功率下性能更高，选用了分立的场效应管作为功率管，使其功率相较于传统的集成D类功放翻倍的同时，又使THD更小，音频放大更准确。

如李杨春等的《数字功放电路》(CN104270105A)其对信号的处理是分开高低音分别驱动AB类和D类功放，幅频平坦度不高，输出信号接入的为集成D类功放电路，不适用于大功率场合且效率较低，输入模式单一，难以满足多方式音频输入的需求。综上所述，需要一种由高性能MCU支持多种输出模式，输出PWM直接驱动全桥电路，并且对音频高音补偿使其幅频特性平坦的D类功放实现方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于高性能MCU大功率低失真D类功放的实现方法，本发明利用较低的成本解决了D类和甲乙类集成功率放大器在大功率场合下失真严重的问题以及人机交互性差的问题，解决了D类功放上电瞬间噪声干扰的问题，也可以通过IIR对高频进行补偿解决D类功放在开关频率低时对滤波器的要求高问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于高性能MCU大功率低失真D类功放的实现方法，所述的实现方法基于系统模块实现，其中，系统模块包括STM32F407最小系统、音频蓝牙模块、SD卡模块、U盘模块、半桥驱动模块、MOSFET全桥功率放大部分、LCD显示模块、音频模拟信号放大模块、字库存储模块、降压辅助供电系统、电流采样模块、IIR数字滤波器、振膜扬声器和等离子扬声器。所述的音频蓝牙模块与STM32F407最小系统通过I2S通信协议相连、SD卡模块与STM32F407最小系统通过SDIO相连、U盘模块与STM32F407最小系统通过USB总线相连、音频模拟信号放大模块与STM32F407最小系统通过ADC相连。所述的半桥驱动模块与STM32F407最小系统连接。所述的全桥功率放大部分由半桥驱动模块输入驱动信号，全桥功率放大部分经过低通滤波器后连接INA282电流采样模块，电流采样模块与振膜扬声器连接，同时，电流采样模块通过IIR数字滤波器与STM32F407最小系统连通；全桥功率放大部分还经过高通滤波器连接等离子扬声器。所述的字库存储模块通过SPI与STM32F407最小系统连接。所述的降压辅助供电系统包括3.3V降压辅助供电系统、5V降压辅助供电系统、2V降压辅助供电系统，其中，3.3V降压辅助供电系统输出3.3V为STM32F407最小系统、SD卡模块、LCD触摸显示模块、字库存储模块、音频模拟信号放大模块、INA282电流采样模块供电；5V降压辅助供电系统输出5V为降压辅助供电模块、U盘模块、音频蓝牙模块、半桥驱动模块供电；12V降压辅助供电系统输出12V为降压辅助供电系统、半桥驱动模块供电。实现方法具体包括以下步骤：

第一步，播放模式的选择与显示。

首先通过LCD触摸显示模块对输入信号模式进行选择和显示。输入信号模式有U盘输入、SD卡输入、模拟音频信号输入、音频蓝牙输入四种。汉字的显示是由字库存储模块与STM32F407最小系统进行通信，获取字库，并在LCD触摸显示模块上进行显示。

第二步，对输入信号进行预处理。

2.1)对U盘输入，U盘模块通过USB总线与STM32F407最小系统进行通信，使用FATFS文件管理系统读取WAV、MP3、FLAC、APE四种文件格式，经过对应的数字解码器后，得到PCM格式的音频数据。

2.2)对SD卡输入，SD卡模块通过SDIO与STM32F407最小系统进行通信，使用FATFS文件管理系统读取WAV、MP3、FLAC、APE四种文件格式，经过对应的数字解码器后，得到PCM格式的音频数据。

2.3)对模拟音频信号输入，音频模拟信号放大模块对音频信号进行初次放大并加偏置后，使其可以最大限度地被STM32F407最小系统的单片机ADC进行采样，乘以相应比例系数后形成PCM格式的音频数据。

2.4)对音频蓝牙输入，单片机通过IIS通信获得音频蓝牙模块的输入数据，将数据储存至内存，获得PCM音频数据格式。

第三步，将第二步得到的PCM音频数据在STM32F407最小系统的定时器内装载。对定时器初始化，设置输出PWM的频率、通道、死区时间、输出极性；将第二步处理后的音频数据传输至定时器，输出PWM至半桥驱动模块。将PCM音频数据输送至定时器的两个通道，两个通道分别对应左右声道的音频，每个定时器通道输出信号至两个半桥驱动模块。

第四步，每两个半桥驱动模块驱动一个全桥功率放大部分。全桥功率放大部分内包含四个半桥，每两个半桥组成一个全桥，即全桥功率放大部分包含两个全桥，两个全桥的输出为左右声道的功率放大。每两个半桥驱动模块经过栅极驱动电阻及其并联的二极管对全桥功率放大部分内的一个全桥进行驱动，最终实现小信号的功率放大。

第五步，对全桥功率放大部分的输出进行滤波。

全桥功率放大部分输出的高频载波和低频调制信号分别输入振膜扬声器、等离子扬声器：

当全桥功率放大部分输出的高频载波和低频调制信号接入振膜扬声器前需要使用低通滤波器对其进行滤波，以增强效率，最终实现音频的播放；

当全桥功率放大部分的输出高频载波和低频调制信号接入等离子扬声器前需要高通滤波器对其进行滤波，使之可以降低低频功耗，并且击穿空气产生等离子体实现等离子扬声器的功能。

第六步，采用INA282电流采样模块对第五步中经过低通滤波器的输出进行电流采样，反馈回STM32F407最小系统。具体的：采用INA282电流采样模块对经过低通滤波器低通滤波后的输出进行电流采样，输出反馈至STM32F407最小系统的单片机ADC，最终得到输出反馈信号。

第七步，根据第六步输出反馈信号，对IIR数字滤波器进行设置，从而对第一步产生的PCM音频数据进行滤波。

7.1)将第一步产生的PCM音频数据进行傅里叶变换，最终得到输入信号的幅频特性。该幅频特性可通过LCD触摸显示模块显示出音乐频谱。

7.2)将第六步的输出反馈信号进行傅里叶变换，得到输出信号的幅频特性。

7.3)将经过傅里叶变换后的输出反馈信号和第一步产生的PCM音频数据在各频率上的幅值做比，得到低通滤波器的传递函数。

7.4)根据低通滤波器的传递函数确定IIR数字滤波器的参数。

7.5)采用IIR数字滤波器对第一步得到的16位PCM格式的音频数据进行处理，得到修正后的音频数据，使其经过低通滤波器后的幅频特性更加平坦，即增强高音部分。

第八步，重复第三步至第七步，实现输出的负反馈控制。

本发明的有益效果为：

(1)增加了频域负反馈，使得幅频特性平坦，降低对滤波器的要求。

(2)使用分立器件，使功率管单独工作，效率更高，功率大幅度提高。

(3)采用单片机直接控制，上电瞬间无噪声，信号处理能力更强。

(4)大功率场合失真更小，100W功率下总谐波失真为1％以内。

(5)输入模式多样，应用场合更加广泛。

(6)人机交互性强，配有触摸屏，有汉字字库，还可对U盘和SD卡进行读写。

(7)使用全桥拓扑，单电源供电，电源利用率高。

附图说明

图1为本发明实现方法系统示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

一种基于高性能MCU大功率低失真D类功放的实现方法，所述的实现方法基于系统模块实现，其中，系统模块包括STM32F407最小系统、降压辅助供电、音频蓝牙模块、SD卡模块、U盘模块、半桥驱动模块、MOSFET全桥功率放大部分、LCD显示模块、音频模拟信号放大模块、字库存储模块、降压辅助供电系统、电流采样模块、IIR数字滤波器、振膜扬声器和等离子扬声器。所述的音频蓝牙模块与STM32F407最小系统通过I2S通信协议相连、SD卡模块与STM32F407最小系统通过SDIO相连、U盘模块与STM32F407最小系统通过USB总线相连、音频模拟信号放大模块与STM32F407最小系统通过ADC相连。所述的半桥驱动模块与STM32F407最小系统连接。所述的全桥功率放大部分由半桥驱动模块输入驱动信号，全桥功率放大部分经过低通滤波器后连接INA282电流采样模块，电流采样模块与振膜扬声器连接，同时，电流采样模块通过IIR数字滤波器与STM32F407最小系统连通；全桥功率放大部分还经过高通滤波器连接等离子扬声器。所述的字库存储模块通过SPI与STM32F407最小系统连接。所述的降压辅助供电系统包括3.3V降压辅助供电系统、5V降压辅助供电系统、2V降压辅助供电系统，其中，3.3V降压辅助供电系统输出3.3V为STM32F407最小系统、SD卡模块、LCD触摸显示模块、字库存储模块、音频模拟信号放大模块、INA282电流采样模块供电；5V降压辅助供电系统输出5V为降压辅助供电模块、U盘模块、音频蓝牙模块、半桥驱动模块供电；12V降压辅助供电系统输出12V为降压辅助供电系统、半桥驱动模块供电。实现方法具体包括以下步骤：

第一步，播放模式的选择与显示。

首先通过LCD触摸显示模块对输入信号模式进行选择和显示。输入信号模式有U盘输入、SD卡输入、模拟音频信号输入、音频蓝牙输入四种。汉字的显示是由字库存储模块与STM32F407最小系统进行通信，获取字库，并在LCD触摸显示模块上进行显示。

第二步，对输入信号进行预处理。

2.1)对U盘输入，U盘模块通过USB总线与STM32F407最小系统进行通信，使用FATFS文件管理系统读取WAV、MP3、FLAC、APE四种文件格式，经过对应的数字解码器后，得到PCM格式的音频数据。

2.2)对SD卡输入，SD卡模块通过SDIO与STM32F407最小系统进行通信，使用FATFS文件管理系统读取WAV、MP3、FLAC、APE四种文件格式，经过对应的数字解码器后，得到PCM格式的音频数据。

2.3)对模拟音频信号输入，音频模拟信号放大模块对音频信号进行初次放大并加偏置后，使其可以最大限度地被STM32F407最小系统的单片机ADC进行采样，乘以相应比例系数后形成16位PCM格式的音频数据。

2.4)对音频蓝牙输入，单片机通过IIS通信获得音频蓝牙模块的输入数据，将数据储存至内存，获得16位PCM音频数据格式。

第三步，将16位PCM音频数据在STM32F407最小系统的定时器内装载。对定时器初始化，设置输出PWM的频率、通道、死区时间、输出极性；将第二步处理后的音频数据传输至定时器输出PWM至半桥驱动模块。将16位PCM送给定时器的两个通道，两个通道分别对应左右声道的音频，每个定时器通道输出信号至两个半桥驱动模块。

第四步，每两个半桥驱动模块驱动一个全桥功率放大部分。全桥功率放大部分内包含四个半桥，每两个半桥组成一个全桥，即全桥功率放大部分包含两个全桥，两个全桥的输出为左右声道的功率放大。每两个半桥驱动模块经过栅极驱动电阻及其并联的二极管对全桥功率放大部分内的一个全桥进行驱动，最终实现小信号的功率放大。

第五步，对全桥功率放大部分的输出进行滤波。

全桥功率放大部分输出的高频载波和低频调制信号分别输入振膜扬声器、等离子扬声器：

当全桥功率放大部分输出的高频载波和低频调制信号接入振膜扬声器前需要使用低通滤波器对其进行滤波，以增强效率，最终实现音频的播放；

当全桥功率放大部分的输出高频载波和低频调制信号接入等离子扬声器前需要高通滤波器对其进行滤波，使之可以降低低频功耗，并且击穿空气产生等离子体实现等离子扬声器的功能。

第六步，采用INA282电流采样模块对经过低通滤波器低通滤波后的输出进行电流采样，输出反馈至STM32F407最小系统的单片机ADC，最终得到输出反馈信号。

第七步，根据第六步输出反馈信号，对IIR数字滤波器进行设置，从而对第一步产生的PCM音频数据进行滤波。

7.1)将第一步产生的PCM音频数据进行傅里叶变换，最终得到输入信号的幅频特性。该幅频特性可通过LCD触摸显示模块显示出音乐频谱。

7.2)将第六步的输出反馈信号进行傅里叶变换，得到输出信号的幅频特性。

7.3)将经过傅里叶变换后的输出反馈信号和第一步产生的PCM音频数据在各频率上的幅值做比，得到低通滤波器的传递函数。

7.4)根据低通滤波器的传递函数确定IIR数字滤波器的参数。

7.5)采用IIR数字滤波器对第一步得到的16位PCM格式的音频数据进行处理，得到修正后的音频数据，使其经过低通滤波器后的幅频特性更加平坦，即增强高音部分。

第八步，重复第三步至第七步，实现输出的负反馈控制。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。