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。

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