隨著半導(dǎo)體器件和電路技術(shù)的最新發(fā)展，如今D類音頻放大器在電視/家庭娛樂，音響設(shè)備和高性能便攜式音頻應(yīng)用中得到廣泛的應(yīng)用。高效率，低失真，以及優(yōu)異的音頻性能都是D類放大器在這些新興的大功率應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。然而，如果輸出功率橋接電路中的MOSFET如果選擇不當(dāng)，D類放大器的上述這些性能將會(huì)大打折扣，特別是輸出功率比較大的時(shí)候。因此，要設(shè)計(jì)一款具有最佳性能的D類放大器，設(shè)計(jì)師正確理解驅(qū)動(dòng)喇叭的器件關(guān)鍵參數(shù)以及它們?nèi)绾斡绊懸纛l放大器的性能是至關(guān)重要的。

如我們所知，D類放大器是一種開關(guān)型放大器，它分別由一個(gè)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)，一個(gè)功率橋電路和一個(gè)低通濾波器組成，如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)放大器的最佳性能，必須對功率橋中的開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化，使得功率損耗、延遲時(shí)間、電壓和電流毛刺都保持最小。因此，在這類放大器設(shè)計(jì)中，需要采用的開關(guān)應(yīng)該具有低壓降、高速的開關(guān)時(shí)間以及很低寄生電感。雖然這種開關(guān)有多種選擇，但已證明MOSFET是用于這類放大器的最好開關(guān)，原因在于其開關(guān)速度。由于它是多數(shù)載流子器件，與IGBT或BJT這類器件相比，其開關(guān)時(shí)間比較快。但是要使D類放大器實(shí)現(xiàn)最好性能，所選的MOSFET必須能夠提供最低的功、最小的延遲和瞬態(tài)開關(guān)毛刺。


于是，所選的MOSFET參數(shù)必須最優(yōu)。關(guān)鍵的參數(shù)包括包括漏源擊穿電壓BVDSS，靜態(tài)漏源通態(tài)電阻RDS(on)，柵極電荷Qg，體二極管反向恢復(fù)電荷Qrr，內(nèi)部柵極電阻RG(int)，最大結(jié)溫TJ(max)，以及封裝參數(shù)。這些參數(shù)的適當(dāng)選擇將會(huì)實(shí)現(xiàn)最低的功耗，改進(jìn)放大器的效率，實(shí)現(xiàn)低失真和更好的EMI性能，以及減小尺寸和/或成本。


選擇MOSFET參數(shù)

不過，在動(dòng)手前，重要的是要理解一些基本指標(biāo)，如放大器輸出功率，負(fù)載阻抗(如100W功率輸出到8Ω阻抗上)，功率橋接電路拓?fù)浼軜?gòu)(全橋還是半橋)，以及調(diào)制度(80%-90%)。


考慮上述這些因素，第一步是要確定放大器的工作電壓。因此這將決定MOSFET的額定電壓。不過，當(dāng)選擇該額定電壓時(shí)，還必須考慮其他一些因素，如MOSFET的開關(guān)峰值電壓以及電源的波動(dòng)等。如果忽略這一點(diǎn)，將會(huì)導(dǎo)致放大器的雪崩條件，從而將影響放大器的性能。于是，針對所期望的放大器輸出功率和負(fù)載阻抗，功率橋電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，調(diào)制度，還要考慮到一個(gè)與電路相關(guān)的附加因子(通常為10-50%)，最后可以通過方程1和方程2計(jì)算出最小的BVDSS。



且




這里，POUT為輸出功率，而RLOAD為負(fù)載阻抗，M為調(diào)制度。

于是，利用方程1和方程2，得出表1。該表中給出了各種D類放大器所需的最小MOSFET額定電壓。



表1：用于不同D類放大器結(jié)構(gòu)的MOSFET額定電壓。


由于BVDSS與MOSFET通態(tài)電阻RDS(on)有關(guān),選擇一個(gè)盡可能最低的BVDSS是很重要的，因?yàn)楦叩腂VDSS將導(dǎo)致高的RDS(on)，從而MOSFET的功耗將更高。


如今我們已經(jīng)知道MOSFET的總功耗將決定放大器的效率。這些功耗是MOSFET的傳導(dǎo)損耗，開關(guān)功耗以及柵極電荷損耗的總和。而且，MOSFET的結(jié)溫TJ和散熱片的大小取決于總功耗。因此，高功耗將導(dǎo)致結(jié)溫增加，從而增加散熱器的尺寸。


由于MOSFET的傳導(dǎo)損耗直接與RDS(on)有關(guān)，對于標(biāo)準(zhǔn)的柵控MOSFET，通常該參數(shù)都將在數(shù)據(jù)頁中給出，條件是25°C和VGS=10V。放大器工作期間，RDS(on)和漏電流決定了MOSFET的傳導(dǎo)損耗，并可以容易地通過方程3計(jì)算出來。




由于RDS(on)與溫度有關(guān)，在熱設(shè)計(jì)中必須注意，以避免熱量溢出。此外，所有工作條件下，結(jié)溫TJ(max)都不能超過數(shù)據(jù)頁中的規(guī)定值。因此，計(jì)算MOSFET的傳導(dǎo)損耗時(shí)，必須采用TJ(max)和最大I D RMS 電流條件下的RDS(on)。從圖2中可看到，較低的RDS(on)將導(dǎo)致較低的MOSFET傳導(dǎo)損耗，從而將得到更高的D類放大器效率。


柵極電荷Qg是另一個(gè)直接影響MOSFET開關(guān)損耗的關(guān)鍵參數(shù)，較低的Qg將導(dǎo)致更快的開關(guān)速度和更低的柵極損耗。MOSFET的開關(guān)損耗定義為：



開關(guān)損耗是MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)開關(guān)時(shí)間所引起的，可以簡單地通過將開關(guān)能量Esw與放大器的PWM開關(guān)頻率fsw進(jìn)行相乘而獲得：




開關(guān)能量Esw通過下式獲得：



式中，t為開關(guān)脈沖的長度。

利用放大器參數(shù)和MOSFET的數(shù)據(jù)頁，可以通過公式7求得PSWITCHING。




式中，Vbus為放大器的總線電壓，tr和tf則分別是MOSFET的上升和下降時(shí)間。Coss

為MOSFET的輸出電容，Qr為MOSFET的體二極管反向恢復(fù)電荷，K為系數(shù)，該系數(shù)的引入原因是考慮到MOSFET的TJ以及特定的放大器條件，如IF和dIF/dt。相類似，柵極損耗可以通過下式獲得：



式中為柵極驅(qū)動(dòng)器的電壓。


除了像MOSFET的開關(guān)延遲時(shí)間所引起的定時(shí)誤差會(huì)影響放大器的線性度，Qg也會(huì)影響放大器的線性度。然而，相對于死區(qū)時(shí)間，由MOSFET開關(guān)所引起的定時(shí)誤差就顯得不太重要了，故可以通過選擇合適的死區(qū)時(shí)間來大幅降低該誤差。實(shí)際上，MOSFETQg對放大器的效率的影響要比對線性度的影響大得多。由于可以通過優(yōu)化死區(qū)時(shí)間來改善線性度，應(yīng)該降低Qg，這主要是為了實(shí)現(xiàn)較小的開關(guān)損耗，如圖3所示。