350W大小用于iPod的D类功放电路设计

　　介绍

　　在以前的音频放大器时代，表现了效率，尺寸，从而降低成本的权衡。通过使用输出功率器件的开关状态，D类拓扑音频功率放大数字设备的演进带来的好处。

　　更精细的设备几何最新的硅技术可以降低功率损耗，同时提高开关速度。因此，新的D类技术使更少的热量，更好的音频性能，以便更好的放大器。为了展示这些优势，本文展示了一个完全集成的控制IC与应用量身定制的功率MOSFET，在所有尺寸的iPod设计。

　　AB类：高效率的功率放大创始人

　　单端类，一个是占主导地位的的音频信号放大电路拓扑使用，因为李德森林在1906年发明的三极管。这个简单的电路配置提供了良好的线性关系，但与设备始终传导电流的拓扑结构是非常低效的。

　　单端A类放大器，在最大输出功率25%，最高的效率。类最容易出问题的特点，在效率方面一个是大量空转电流，使输出功率设备，即使在没有输出功率高功耗。

　　双端B类放大器的发明解决空转功耗不足，引入一个概念，开关两个输出设备进行只有一半的每台设备的音频周期。由于消除空转电流，B类的效率可以达到最大输出功率和无功耗，在空转的78.5%。

　　一个典型的AB类放大器适用于这两种设备空转通过一个小电流(mA范围)。虽然类似的效率，B类，AB类增加了导通角的外包装，消除了交越失真。因此，AB类成为占主导地位的功率放大拓扑。

　　线性放大的效率是由负载条件和总线电压，设备参数，如电流增益hFE或过渡频率f T。在电源设备产品通过设备的电压和电流的功率损耗是诱发 。由于拓扑是线性操作区域，功率损耗高，效率一般低于25%。AB类音频放大器需要大热管理系统，因为更多的功率耗散为热量比传递到扬声器 。

　　有拓扑结构与动态电源电压设计以获得更高的效率比AB类，如H类和类G.这些方法牺牲音频性能和依靠开关电源的拓扑的调制。

　　D级：没有效率限制拓扑

　　D类拓扑介绍了脉冲宽度调制(PWM)的概念，从根本上消除线性模式操作 。一个理想的开关设备，国家在此拓扑中使用，也可以在不产生的功率损耗，因此，提供无功耗，并提供100%的效率 。在D类开关级的增益是MOSFET的占空比成正比，因此，它可以与伟大的线性控制

　　D类，输入音频信号转换成一系列脉冲，其瞬时平均值成正比输入信号。这个二进制信号控制功率MOSFET，以创建一个放大的PWM。一个LC无源低通滤波器去除高频载波信号组件和恢复放大的音频信号。有趣的是认识到，一旦音频信号转换为PWM信号，信号路径的其余部分可以是数字逻辑电路集成和电平转换更加容易。

　　

　　图1：AB类和D类拓扑结构比较

　　D类拓扑在理论上是完美的。它是非线性的，意思是零失真。这也是100%的效率，这意味着没有功耗。从D类教科书完善的最大好处是，降解性能优异的功率器件的数字。出于这个原因，D类功率MOSFET技术的进步与发展。

　　值得革命的MOSFET图

　　D类几十年前被发明的时候有没有动力装置，实现商业上可行的的性能数据。索尼公司于1979年推出的第一个D类音频放大器产品，TA - N88。它使用了一个功耗JFET称为垂直沟道场效应晶体管(FET的V型)在500kHz开关。场效应管是不容易处理，因为它是一个正常的设备。需要大的输入电容与散热片的TO - 220 BJT的一个大的栅极驱动级。然而，它展示了D类音频放大。

　　在今天的国家的最先进的MOSFET技术，实际功率MOSFET可以达到90%以上的电源效率D类输出级。设备是如何接近理想的功率开关器件的一个简单的方法是在一个R * Qg和品质因数(FOM)，采取一看。硅技术，电阻(R DS(ON)的反对)和栅极电荷(Qg)对方。换句话说，较低的R DS(ON) ，更高的栅极电荷，因此较慢的开关 。

　　要实现D类放大器的效率最高，传导损失，从R DS(ON)QG口授的开关速度和开关损失，需要优化，图2说明了如何选择最佳的芯片尺寸为给定输出功率。最低的功率损耗是在一个最佳的芯片尺寸。由于设备技术的进步，在最佳点的总功率损耗减少和芯片尺寸变得更小，从而获得更好的性能和系统的规模较小

　　

　　图2：功率MOSFET的裸片尺寸优化

　　改善在R DS(ON)和QG FOM表示功率MOSFET技术的进步。例如，让我们看看两个100V额定设备，是几代人几部分。从20世纪80年代IRF540刨床结构与QG 55nC 66米欧姆。最新的沟槽结构的MOSFET IRF6665的栅极电荷8.4nC一个53米欧姆设备。FOMs是分别为3300和445，显示最新的MOSFET具有更好的FOM大于7倍。新MOSFET的要求低得多的栅极驱动努力实现的开关速度，从而降低开关功率损耗 。

　　集成了D类驱动

　　程序，要形成一个切实可行的的D类放大器，有四个基本职能;栅极驱动器，电平转换，死区时间生成和欠压锁定保护 (UVLO)。这些函数是复杂的，涉及的模拟和逻辑设计电路的混合物 。高的设备计数鼓励所有四个功能集成到单个IC。

　　为了享受国家的最先进的功率MOSFET的好处，栅极驱动信号的精确控制是至关重要的。稳定的死区时间控制和电平转换，根据从调制器部分的PWM信号控制MOSFET是至关重要的。死区是一个D类放大器的非线性的主要来源。插入死区时间的增加失真，因为它调制的D类功率级的增益，因为它会降低每个MOSFET的占空比。

　　虽然电机变频器需要500ns的1us的死区时间范围，一个高性能的D类放大器有一个严格的死区时间的要求，这些值的十分之一。死区时间的金额主要取决于MOSFET的开关速度，但在现实的设计使用2至3倍金额的死区时间，处理与传播的变异，在栅极驱动级。更好FOA的MOSFET需要一个死区时间，金额较小，从更快的开关速度，因此，有助于更好的线性。

　　强大的保护功能如D类循环控制的重要。栅极驱动集成电路提供欠压锁定(UVLO)保护下的线性模式，可以破坏他们的运作，以保护MOSFET的。其它保护功能包括热关断和过电流保护。

　　在D类放大器的功耗源RDS(ON)在过载条件的结果，从R从传导损失的性质。监测MOSFET两端的电压，而它在一个国家，是一个很好的方式来感知过负荷条件。这个计划并没有采取任何额外的功率分流装置，降低效率，并需要大量的足迹。一个奖金从R功能RDS(ON)为基础的电流检测，负载电流检测MOSFET的温度增加的灵敏度，使过电流保护 更加健壮。

　　设计实例

　　图3 2声道370W 370 WD类D类放大器的一个例子。这种设计的特点从IRF6775M国际整流器公司的DirectFET ?额定150V，47米欧姆，25nC在一个表面贴装封装，使占地面积小，同时优化PCB布局。

　　

　　图3：栅极驱动功能(IRS2052M)

　　虽然D类放大器的功耗相比，其传统的AB类对口明显变小，散热设计还不是一个微不足道的努力的一部分。与AB类效率的MOSFET温度的函数 。较高的模具温度升高的R DS(ON)的，因此在MOSFET传导损耗 。另一方面，开关损耗的相当一部分来自在体二极管的反向恢复电荷Qrr具有正温度系数。更高的结温度上升过冲/下冲由于更高QRR 。

　　IRS2052M集成了所有四个基本功能块，随着时钟振荡器和热保护 。一个干净的总谐波失真+噪声与输出功率波形图4显示控制器IC成功的噪声管理 。

　　

　　图4：THD + N与电源

　　在MOSFET的栅极驱动的低Qg，控制IC也可以处理有噪声敏感的模拟部分在同一芯片上。此外，在MOSFET的低Qg允许低栅极驱动电源，使所有四个栅极驱动级适合在小型MLP封装。

　　

　　图5：IRAUDAMP10图片

　　最终设计的例子是4“× 2.8”的电路板空间，提供了一个完整的设计在90%的效率大小的iPod，同时提供可比的等效输出功率的AB类放大器的音频性能。最新的D类设计带来了卓越的电源效率更高的音频质量，降低了系统成本，这使得这种拓扑结构中实现不断接近理想放大器。