如何为D类放大器选取合适的参数
时间:09-23
来源:IRD类音频工程经理 Jorge Cerezo
点击:
![]() |
式中为栅极驱动器的电压。
除了像MOSFET的开关延迟时间所引起的定时误差会影响放大器的线性度,Qg也会影响放大器的线性度。然而,相对于死区时间,由MOSFET开关所引起的定时误差就显得不太重要了,故可以通过选择合适的死区时间来大幅降低该误差。实际上,MOSFETQg对放大器的效率的影响要比对线性度的影响大得多。由于可以通过优化死区时间来改善线性度,应该降低Qg,这主要是为了实现较小的开关损耗,如图3所示。
体二极管和效率
MOSFET的结构中有一个内置固有的反向体-漏二极管,该二极管呈现为反向恢复特性。该特性对放大器的效率和EMI性能都有影响。可以通过将反向恢复电荷Qrr(由温度、正向电流IF和dIF/dt所决定)保持在最小值,使反向恢复损耗降低到最小,从而把开关损耗降到最小。然而,死区在这里也起作用。实际上,死区时间的减小将使得换相电流在绝大部分时间内都留过MOSFET沟道,从而减小了体二极管电流,进而减小了少数载流子电荷和Qrr。不过,较小的死区时间将会引起冲击电流。这对功率桥MOSFET来说是一个存在风险的条件,这也将降低放大器的性能。因此,设计师必须选取一个最佳的死区时间,即能够大幅减小Qrr,同时又要能够改善放大器的效率和线性度。
此外,Qrr还与D类放大器的EMI贡献有关。高恢复电流再加上电路的杂散电感和电容,将会在MOSFET中产生很大的高频电流和电压瞬变振铃。于是,将会增加EMI辐射和传导噪声。因此,为了避免这种瞬变并改善EMI性能,采用较小的和软恢复电流是至关重要的。由于较小的软反向恢复将会改善放大器的效率并降低EMI,原因是MOSFET中的开关损耗和电流-电压瞬变振铃的降低。
在为D类放大器选择合适的MOSFET时需要考虑的另一个参数是晶体管的内部栅极电阻RG(int),这是一个与温度变化有关的参数,随着温度的上升将增大。该参数影响MOSFET的通断开关时间。高RG(int)将会增加总的栅极电阻,减小栅极电流,从而增加开关时间。因此将增大MOSFET的开关损耗。此外,RG(int)的变化还会影响死区时间控制。
MOSFET封装
同等重要的还有MOSFET的封装,因为封装不仅对性能影响很大,而且还影响成本。像封装的尺寸、功耗容量、电流容量、内部电感和电阻、电气隔离和装配工艺等在确定电路的PCB板、散热器尺寸、装配工艺以及MOSFET的电气参数时都极为重要。类似地,封装热阻RθJC也会影响MOSFET的性能。简单地说,由于较低的RθJC将会减小MOSFET工作过程中的结温,从而将提供MOSFET的可靠性和性能。
由于电路的杂散电感和电容将影响放大器的EMI性能,内部封装电感将会对EMI噪声的产生起很大贡献。图5中对利用相同的MOSFET芯片但内部电感不同的两种封装的EMI噪声进行了比较。例如,将DirectFET MOSFET(<1nH)与TO-220(~12nH)
进行比较,发现前者具有更好的EMI性能。其噪声大约比TO-220低9dB,尽管其上升和下降时间比TO-220大约快3倍。于是,对于D类放大器的可靠性,效率,噪声性能及成本的改善来讲,封装的选择是非常重要的。
最后,最高结温TJ(max)也是非常关键的,因为它决定了散热器的大小。具有较高结温的MOSFET可以承受较高的功耗,因此,需要较小的散热器。从而减小了放大器的尺寸和成本。
数字音频MOSFET
综合考虑了上述各种参数,IR公司特别开发出了用于D类音频应用放大器的功率MOSFET,称作为数字音频MOSFET。为了改善其总的D类音频放大器的性能,设计中对尺寸和多个参数进行了专门优化。
如前所述,RDS(on)和Qg是决定MOSFET功耗的关键参数。这些参数与MOSFET的芯片尺寸密切相关,并在它们之间存在着一些折中。大的MOSFET尺寸意味着更低的RDS(on)和更高的Qg,反之亦然。因此,最佳的芯片尺寸将会实现更低的MOSFET功耗,如图6所示。进一步,数字音频MOSFET将保证能提供一个最大的RG(int),更低的Qrr以及一个高达150°C的TJ(max),并且能够被装配在像DirectFET这类效率最高的封装内,以便为D类音频放大器应用提供高效率、稳健性以及可靠的器件。
为了简化设计师的MOSFET的选择过程,表2中列举出了一系列为应用进行了关键参数优化的数字音频MOSFET。这些MOSFET采用了最新的工艺技术来实现最佳的参数组合。同时,DirectFET封装技术将寄生电感和电容减到最小,从而降低了EMI干扰。
![]() 表2:列举出关键参数的一系列数字音频MOSFET。 进一步,将DirectFET数字音频MOSFET(IRF6445)与合适的控制器加驱动器(IRS2092S)一道使用,就能够实现图7所示的双通道120W半桥D类音频放大器。 对上述参考设计所实测的性能显示,在1kHz处的总谐波失真加噪声(THD+N)只有大约1%左右。当驱动图8所示的4Ω阻性负载时,每个通道的效率达到了96%。其结果,功耗低于常规需求(只有连续额定功率的1/8)。于是,对于120W的D类音频放大器,在正常工作条件下无需采用散热器。此外,驻留噪声仅有170?V,电源电压为±35V。 |
- 全新空间扩展音频技术可模拟真实的音频感受(11-17)
- IR新款D类音频芯片组采用IRS2092音频驱动器IC(09-10)
- 震一科技发布D类音频功率放大器TMPA268DS(09-11)
- Cirrus Logic推出全功能低功耗数模音频转换器CS43L22(09-22)
- 震一科技给您震撼——新型D类音频功率放大器(01-24)
- KT Micro推出2.6W无滤波D类音频功放KT0220,扩展便携应用音频IC产品线(01-28)