如何為D類放大器選取合適的參數

隨著半導體器件和電路技術的最新發展，如今D類音頻放大器在電視/家庭娛樂，音響設備和高性能便攜式音頻應用中得到廣泛的應用。高效率，低失真，以及優異的音頻性能都是D類放大器在這些新興的大功率應用中得到廣泛應用的關鍵驅動因素。然而，如果輸出功率橋接電路中的MOSFET如果選擇不當，D類放大器的上述這些性能將會大打折扣，特別是輸出功率比較大的時候。因此，要設計一款具有最佳性能的D類放大器，設計師正確理解驅動喇叭的器件關鍵參數以及它們如何影響音頻放大器的性能是至關重要的。

如我們所知，D類放大器是一種開關型放大器，它分別由一個脈沖寬度調制器(PWM)，一個功率橋電路和一個低通濾波器組成，如圖1所示。為了實現放大器的最佳性能，必須對功率橋中的開關進行優化，使得功率損耗、延遲時間、電壓和電流毛刺都保持最小。因此，在這類放大器設計中，需要采用的開關應該具有低壓降、高速的開關時間以及很低寄生電感。雖然這種開關有多種選擇，但已證明MOSFET是用于這類放大器的最好開關，原因在于其開關速度。由于它是多數載流子器件，與IGBT或BJT這類器件相比，其開關時間比較快。但是要使D類放大器實現最好性能，所選的MOSFET必須能夠提供最低的功、最小的延遲和瞬態開關毛刺。

于是，所選的MOSFET參數必須最優。關鍵的參數包括包括漏源擊穿電壓BVDSS，靜態漏源通態電阻RDS(on)，柵極電荷Qg，體二極管反向恢復電荷Qrr，內部柵極電阻RG(int)，最大結溫TJ(max)，以及封裝參數。這些參數的適當選擇將會實現最低的功耗，改進放大器的效率，實現低失真和更好的EMI性能，以及減小尺寸和/或成本。

選擇MOSFET參數

不過，在動手前，重要的是要理解一些基本指標，如放大器輸出功率，負載阻抗(如100W功率輸出到8Ω阻抗上)，功率橋接電路拓撲架構(全橋還是半橋)，以及調制度(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，當選擇該額定電壓時，還必須考慮其他一些因素，如MOSFET的開關峰值電壓以及電源的波動等。如果忽略這一點，將會導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載阻抗，功率橋電路拓撲結構，調制度，還要考慮到一個與電路相關的附加因子(通常為10-50%)，最后可以通過方程1和方程2計算出最小的BVDSS。

且

這里，POUT為輸出功率，而RLOAD為負載阻抗，M為調制度。

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類放大器結構的MOSFET額定電壓。

由于BVDSS與MOSFET通態電阻RDS(on)有關,選擇一個盡可能最低的BVDSS是很重要的，因為高的BVDSS將導致高的RDS(on)，從而MOSFET的功耗將更高。

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

由于MOSFET的傳導損耗直接與RDS(on)有關，對于標準的柵控MOSFET，通常該參數都將在數據頁中給出，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的傳導損耗，并可以容易地通過方程3計算出來。

由于RDS(on)與溫度有關，在熱設計中必須注意，以避免熱量溢出。此外，所有工作條件下，結溫TJ(max)都不能超過數據頁中的規定值。因此，計算MOSFET的傳導損耗時，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)將導致較低的MOSFET傳導損耗，從而將得到更高的D類放大器效率。

柵極電荷Qg是另一個直接影響MOSFET開關損耗的關鍵參數，較低的Qg將導致更快的開關速度和更低的柵極損耗。MOSFET的開關損耗定義為：

開關損耗是MOSFET導通和關斷時開關時間所引起的，可以簡單地通過將開關能量Esw與放大器的PWM開關頻率fsw進行相乘而獲得：

開關能量Esw通過下式獲得：

式中，t為開關脈沖的長度。

利用放大器參數和MOSFET的數據頁，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的上升和下降時間。Coss為MOSFET的輸出電容，Qr為MOSFET的體二極管反向恢復電荷，K為系數，該系數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：

式中為柵極驅動器的電壓。

除了像MOSFET的開關延遲時間所引起的定時誤差會影響放大器的線性度，Qg也會影響放大器的線性度。然而，相對于死區時間，由MOSFET開關所引起的定時誤差就顯得不太重要了，故可以通過選擇合適的死區時間來大幅降低該誤差。實際上，MOSFETQg對放大器的效率的影響要比對線性度的影響大得多。由于可以通過優化死區時間來改善線性度，應該降低Qg，這主要是為了實現較小的開關損耗，如圖3所示。
體二極管和效率

MOSFET的結構中有一個內置固有的反向體-漏二極管，該二極管呈現為反向恢復特性。該特性對放大器的效率和EMI性能都有影響。可以通過將反向恢復電荷Qrr(由溫度、正向電流IF和dIF/dt所決定)保持在最小值，使反向恢復損耗降低到最小，從而把開關損耗降到最小。然而，死區在這里也起作用。實際上，死區時間的減小將使得換相電流在絕大部分時間內都留過MOSFET溝道，從而減小了體二極管電流，進而減小了少數載流子電荷和Qrr。不過，較小的死區時間將會引起沖擊電流。這對功率橋MOSFET來說是一個存在風險的條件，這也將降低放大器的性能。因此，設計師必須選取一個最佳的死區時間，即能夠大幅減小Qrr，同時又要能夠改善放大器的效率和線性度。

此外，Qrr還與D類放大器的EMI貢獻有關。高恢復電流再加上電路的雜散電感和電容，將會在MOSFET中產生很大的高頻電流和電壓瞬變振鈴。于是，將會增加EMI輻射和傳導噪聲。因此，為了避免這種瞬變并改善EMI性能，采用較小的和軟恢復電流是至關重要的。由于較小的軟反向恢復將會改善放大器的效率并降低EMI，原因是MOSFET中的開關損耗和電流-電壓瞬變振鈴的降低。

在為D類放大器選擇合適的MOSFET時需要考慮的另一個參數是晶體管的內部柵極電阻RG(int)，這是一個與溫度變化有關的參數，隨著溫度的上升將增大。該參數影響MOSFET的通斷開關時間。高RG(int)將會增加總的柵極電阻，減小柵極電流，從而增加開關時間。因此將增大MOSFET的開關損耗。此外，RG(int)的變化還會影響死區時間控制。

MOSFET封裝

同等重要的還有MOSFET的封裝，因為封裝不僅對性能影響很大，而且還影響成本。像封裝的尺寸、功耗容量、電流容量、內部電感和電阻、電氣隔離和裝配工藝等在確定電路的PCB板、散熱器尺寸、裝配工藝以及MOSFET的電氣參數時都極為重要。類似地，封裝熱阻RθJC也會影響MOSFET的性能。簡單地說，由于較低的RθJC將會減小MOSFET工作過程中的結溫，從而將提供MOSFET的可靠性和性能。

由于電路的雜散電感和電容將影響放大器的EMI性能，內部封裝電感將會對EMI噪聲的產生起很大貢獻。圖5中對利用相同的MOSFET芯片但內部電感不同的兩種封裝的EMI噪聲進行了比較。例如，將DirectFET MOSFET(<1nH)與TO-220(~12nH)

進行比較，發現前者具有更好的EMI性能。其噪聲大約比TO-220低9dB，盡管其上升和下降時間比TO-220大約快3倍。于是，對于D類放大器的可靠性，效率，噪聲性能及成本的改善來講，封裝的選擇是非常重要的。

最后，最高結溫TJ(max)也是非常關鍵的，因為它決定了散熱器的大小。具有較高結溫的MOSFET可以承受較高的功耗，因此，需要較小的散熱器。從而減小了放大器的尺寸和成本。

數字音頻MOSFET

綜合考慮了上述各種參數，IR公司特別開發出了用于D類音頻應用放大器的功率MOSFET，稱作為數字音頻MOSFET。為了改善其總的D類音頻放大器的性能，設計中對尺寸和多個參數進行了專門優化。

如前所述，RDS(on)和Qg是決定MOSFET功耗的關鍵參數。這些參數與MOSFET的芯片尺寸密切相關，并在它們之間存在著一些折中。大的MOSFET尺寸意味著更低的RDS(on)和更高的Qg，反之亦然。因此，最佳的芯片尺寸將會實現更低的MOSFET功耗，如圖6所示。進一步，數字音頻MOSFET將保證能提供一個最大的RG(int)，更低的Qrr以及一個高達150°C的TJ(max)，并且能夠被裝配在像DirectFET這類效率最高的封裝內，以便為D類音頻放大器應用提供高效率、穩健性以及可靠的器件。

為了簡化設計師的MOSFET的選擇過程，表2中列舉出了一系列為應用進行了關鍵參數優化的數字音頻MOSFET。這些MOSFET采用了最新的工藝技術來實現最佳的參數組合。同時，DirectFET封裝技術將寄生電感和電容減到最小，從而降低了EMI干擾。

表2：列舉出關鍵參數的一系列數字音頻MOSFET。

進一步，將DirectFET數字音頻MOSFET(IRF6445)與合適的控制器加驅動器(IRS2092S)一道使用，就能夠實現圖7所示的雙通道120W半橋D類音頻放大器。

對上述參考設計所實測的性能顯示，在1kHz處的總諧波失真加噪聲(THD+N)只有大約1%左右。當驅動圖8所示的4Ω阻性負載時，每個通道的效率達到了96%。其結果，功耗低于常規需求(只有連續額定功率的1/8)。于是，對于120W的D類音頻放大器，在正常工作條件下無需采用散熱器。此外，駐留噪聲僅有170?V，電源電壓為±35V。

結論

對于D類音頻放大器性能的優化、尺寸和成本而言，像BVDSS、RDS(on)、Qg、Qrr、RG(int)、TJ(max)這些MOSFET參數以及封裝都起著關鍵的作用。然而，不可能以偏概全，因為不同的功率電平需要不同的組合。因此，根據輸出功率的要求，設計師必須仔細地選取合適的參數組合來實現放大器的最佳性能，并降低尺寸和成本。數字音頻MOSFET中的各種參數必須被優化，才能實現最佳的D類放大器的綜合性能。