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(dòng)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(shí)候。因此，要設(shè)計(jì)一款具有最佳性能的D類放大器，設(shè)計(jì)師正確理解驅(qū)動(dòng)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(gè)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)，一個(gè)功率橋電路和一個(gè)低通濾波器組成。為了實(shí)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(shí)間、電壓和電流毛刺都保持最小。因此，在這類放大器設(shè)計(jì)中，需要采用的開關(guān)應(yīng)該具有低壓降、高速的開關(guān)時(shí)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(shí)間比較快。但是要使D類放大器實(shí)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(shí)現(xiàn)最低的功耗，改進(jìn)放大器的效率，實(shí)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(dòng)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(shí)，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(dòng)等。如果忽略這一點(diǎn)，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(gè)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(jì)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(gè)盡可能最低的BVDSS是很重要的，因?yàn)楦叩腂VDSS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(jì)算出來。
由于RDS(on)與溫度有關(guān)，在熱設(shè)計(jì)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(jì)算MOSFET的傳導(dǎo)損耗時(shí)，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(gè)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(shí)開關(guān)時(shí)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(shí)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(dòng)器的電壓。
除了像MOSFET的開關(guān)延遲時(shí)間所引起的定時(shí)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(shí)間，由MOSFET開關(guān)所引起的定時(shí)誤差就顯得不太重要了，故可以通過選擇合適的死區(qū)時(shí)間來大幅降低該誤差。實(shí)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(shí)間來改善線性度，應(yīng)該降低Qg，這主要是為了實(shí)現(xiàn)較小的開關(guān)損耗。
體二極管和效率
MOSFET的結(jié)構(gòu)中有一個(gè)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(fù)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(fù)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(fù)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(shí)際上，死區(qū)時(shí)間的減小將使得換相電流在絕大部分時(shí)間內(nèi)都留過MOSFET溝道，從而減小了體二極管電流，進(jìn)而減小了少數(shù)載流子電荷和Qrr。不過，較小的死區(qū)時(shí)間將會引起沖擊電流。這對功率橋MOSFET來說是一個(gè)存在風(fēng)險(xiǎn)的條件，這也將降低放大器的性能。因此，設(shè)計(jì)師必須選取一個(gè)最佳的死區(qū)時(shí)間，即能夠大幅減小Qrr，同時(shí)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(xiàn)有關(guān)。高恢復(fù)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(dǎo)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(fù)電流是至關(guān)重要的。由于較小的軟反向恢復(fù)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(shí)需要考慮的另一個(gè)參數(shù)是晶體管的內(nèi)部柵極電阻RG(int)，這是一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間控制。
MOSFET封裝
同等重要的還有MOSFET的封裝，因?yàn)榉庋b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(shí)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(xiàn)。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(jìn)行了比較。例如，將DirectFET MOSFET(<1nH)與TO-220(~12nH)
進(jìn)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(shí)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?yàn)樗鼪Q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(yīng)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(shè)計(jì)中對尺寸和多個(gè)參數(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)更低的MOSFET功耗，如圖6所示。進(jìn)一步，數(shù)字音頻MOSFET將保證能提供一個(gè)最大的RG(int)，更低的Qrr以及一個(gè)高達(dá)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(yīng)用提供高效率、穩(wěn)健性以及可靠的器件。
為了簡化設(shè)計(jì)師的MOSFET的選擇過程，表2中列舉出了一系列為應(yīng)用進(jìn)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(shí)現(xiàn)最佳的參數(shù)組合。同時(shí)，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(jìn)一步，將DirectFET數(shù)字音頻MOSFET(IRF6445)與合適的控制器加驅(qū)動(dòng)器(IRS2092S)一道使用，就能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道120W半橋D類音頻放大器。
對上述參考設(shè)計(jì)所實(shí)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(dāng)驅(qū)動(dòng)圖8所示的4Ω阻性負(fù)載時(shí)，每個(gè)通道的效率達(dá)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?yàn)椴煌墓β孰娖叫枰煌慕M合。因此，根據(jù)輸出功率的要求，設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)地選取合適的參數(shù)組合來實(shí)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(shí)現(xiàn)最佳的D類放大器的綜合性能。