如何為D類放大器選取合適的參數(shù)

如何為D類放大器選取合適的參數(shù)

隨著半導體器件和電路技術(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(yōu)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(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，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(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，在這類放大器設計中，需要采用的開關(guān)應該具有低壓降、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)的適當選擇將會實現(xiàn)最低的功耗，改進放大器的效率，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，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(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(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，高功耗將導致結(jié)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(guān)，對于標準的柵控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(guān)損耗的關(guān)鍵參數(shù)，較低的Qg將導致更快的開關(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。
體二極管和效率

MOSFET的結(jié)構(gòu)中有一個內(nèi)置固有的反向體-漏二極管，該二極管呈現(xiàn)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?？梢酝ㄟ^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(guān)損耗降到最小。然而，死區(qū)在這里也起作用。實際上，死區(qū)時間的減小將使得換相電流在絕大部分時間內(nèi)都留過MOSFET溝道，從而減小了體二極管電流，進而減小了少數(shù)載流子電荷和Qrr。不過，較小的死區(qū)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(qū)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(guān)。高恢復電流再加上電路的雜散電感和電容，將會在MOSFET中產(chǎn)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(guān)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(guān)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(shù)是晶體管的內(nèi)部柵極電阻RG(int)，這是一個與溫度變化有關(guān)的參數(shù)，隨著溫度的上升將增大。該參數(shù)影響MOSFET的通斷開關(guān)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(guān)時間。因此將增大MOSFET的開關(guān)損耗。此外，RG(int)的變化還會影響死區(qū)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(nèi)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(shù)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(jié)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(nèi)部封裝電感將會對EMI噪聲的產(chǎn)生起很大貢獻。圖5中對利用相同的MOSFET芯片但內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(jié)溫TJ(max)也是非常關(guān)鍵的，因為它決定了散熱器的大小。具有較高結(jié)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(shù)字音頻MOSFET

綜合考慮了上述各種參數(shù)，IR公司特別開發(fā)出了用于D類音頻應用放大器的功率MOSFET，稱作為數(shù)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(shù)進行了專門優(yōu)化。

如前所述，RDS(on)和Qg是決定MOSFET功耗的關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)與MOSFET的芯片尺寸密切相關(guān)，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(xiàn)更低的MOSFET功耗，如圖6所示。進一步，數(shù)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(nèi)，以便為D類音頻放大器應用提供高效率、穩(wěn)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(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化的數(shù)字音頻MOSFET。這些MOSFET采用了最新的工藝技術(shù)來實現(xiàn)最佳的參數(shù)組合。同時，DirectFET封裝技術(shù)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(guān)鍵參數(shù)的一系列數(shù)字音頻MOSFET。

進一步，將DirectFET數(shù)字音頻MOSFET(IRF6445)與合適的控制器加驅(qū)動器(IRS2092S)一道使用，就能夠?qū)崿F(xiàn)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(qū)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(jié)果，功耗低于常規(guī)需求(只有連續(xù)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(jié)論

對于D類音頻放大器性能的優(yōu)化、尺寸和成本而言，像BVDSS、RDS(on)、Qg、Qrr、RG(int)、TJ(max)這些MOSFET參數(shù)以及封裝都起著關(guān)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(jù)輸出功率的要求，設計師必須仔細地選取合適的參數(shù)組合來實現(xiàn)放大器的最佳性能，并降低尺寸和成本。數(shù)字音頻MOSFET中的各種參數(shù)必須被優(yōu)化，才能實現(xiàn)最佳的D類放大器的綜合性能。