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大打折扣,，特別是輸出功率比較大的時候,。因此，要設(shè)計一款具有最佳性能的D類放大器,，設(shè)計師正確理解驅(qū)動喇叭的器件關(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,，它分別由一個脈沖寬度調(diào)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(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、延遲時間,、電壓和電流毛刺都保持最小,。因此，在這類放大器設(shè)計中,，需要采用的開關(guān)應(yīng)該具有低壓降,、高速的開關(guān)時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)時間比較快。但是要使D類放大器實現(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)選擇將會實現(xiàn)最低的功耗,，改進(jìn)放大器的效率,，實現(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，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等,。如果忽略這一點，將會導(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),選擇一個盡可能最低的BVDSS是很重要的，因為高的BVDSS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計算出來,。




由于RDS(on)與溫度有關(guān)，在熱設(shè)計中必須注意,，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，計算MOSFET的傳導(dǎo)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(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)斷時開關(guān)時間所引起的,，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)動器的電壓,。


除了像MOSFET的開關(guān)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(qū)時間,，由MOSFET開關(guān)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(qū)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(yōu)化死區(qū)時間來改善線性度,，應(yīng)該降低Qg,，這主要是為了實現(xiàn)較小的開關(guān)損耗,，如圖3所示。