如何为D类放大器选取合适的参数

2009年05月04日 15:05    李宽
关键词: D类 , 参数 , 放大器
随着半导体器件和电路技术的最新发展,如今D类音频放大器在电视/家庭娱乐,音响设备和高性能便携式音频应用中得到广泛的应用。高效率,低失真,以及优异的音频性能都是D类放大器在这些新兴的大功率应用中得到广泛应用的关键驱动因素。然而,如果输出功率桥接电路中的MOSFET如果选择不当,D类放大器的上述这些性能将会大打折扣,特别是输出功率比较大的时候。因此,要设计一款具有最佳性能的D类放大器,设计师正确理解驱动喇叭的器件关键参数以及它们如何影响音频放大器的性能是至关重要的。如我们所知,D类放大器是一种开关型放大器,它分别由一个脉冲宽度调制器(PWM),一个功率桥电路和一个低通滤波器组成,如图1所示。为了实现放大器的最佳性能,必须对功率桥中的开关进行优化,使得功率损耗、延迟时间、电压电流毛刺都保持最小。因此,在这类放大器设计中,需要采用的开关应该具有低压降、高速的开关时间以及很低寄生电感。虽然这种开关有多种选择,但已证明MOSFET是用于这类放大器的最好开关,原因在于其开关速度。由于它是多数载流子器件,与IGBT或BJT这类器件相比,其开关时间比较快。但是要使D类放大器实现最好性能,所选的MOSFET必须能够提供最低的功、最小的延迟和瞬态开关毛刺。
于是,所选的MOSFET参数必须最优。关键的参数包括包括漏源击穿电压BVDSS,静态漏源通态电阻RDS(on),栅极电荷Qg,体二极管反向恢复电荷Qrr,内部栅极电阻RG(int),最大结温TJ(max),以及封装参数。这些参数的适当选择将会实现最低的功耗,改进放大器的效率,实现低失真和更好的EMI性能,以及减小尺寸和/或成本。
选择MOSFET参数
不过,在动手前,重要的是要理解一些基本指标,如放大器输出功率,负载阻抗(如100W功率输出到8Ω阻抗上),功率桥接电路拓扑架构(全桥还是半桥),以及调制度(80%-90%)。
考虑上述这些因素,第一步是要确定放大器的工作电压。因此这将决定MOSFET的额定电压。不过,当选择该额定电压时,还必须考虑其他一些因素,如MOSFET的开关峰值电压以及电源的波动等。如果忽略这一点,将会导致放大器的雪崩条件,从而将影响放大器的性能。于是,针对所期望的放大器输出功率和负载阻抗,功率桥电路拓扑结构,调制度,还要考虑到一个与电路相关的附加因子(通常为10-50%),最后可以通过方程1和方程2计算出最小的BVDSS。



这里,POUT为输出功率,而RLOAD为负载阻抗,M为调制度。
于是,利用方程1和方程2,得出表1。该表中给出了各种D类放大器所需的最小MOSFET额定电压。

表1:用于不同D类放大器结构的MOSFET额定电压。

由于BVDSS与MOSFET通态电阻RDS(on)有关,选择一个尽可能最低的BVDSS是很重要的,因为高的BVDSS将导致高的RDS(on),从而MOSFET的功耗将更高。
如今我们已经知道MOSFET的总功耗将决定放大器的效率。这些功耗是MOSFET的传导损耗,开关功耗以及栅极电荷损耗的总和。而且,MOSFET的结温TJ和散热片的大小取决于总功耗。因此,高功耗将导致结温增加,从而增加散热器的尺寸。
由于MOSFET的传导损耗直接与RDS(on)有关,对于标准的栅控MOSFET,通常该参数都将在数据页中给出,条件是25°C和VGS=10V。放大器工作期间,RDS(on)和漏电流决定了MOSFET的传导损耗,并可以容易地通过方程3计算出来。

由于RDS(on)与温度有关,在热设计中必须注意,以避免热量溢出。此外,所有工作条件下,结温TJ(max)都不能超过数据页中的规定值。因此,计算MOSFET的传导损耗时,必须采用TJ(max)和最大I D RMS 电流条件下的RDS(on)。从图2中可看到,较低的RDS(on)将导致较低的MOSFET传导损耗,从而将得到更高的D类放大器效率。
栅极电荷Qg是另一个直接影响MOSFET开关损耗的关键参数,较低的Qg将导致更快的开关速度和更低的栅极损耗。MOSFET的开关损耗定义为:

开关损耗是MOSFET导通和关断时开关时间所引起的,可以简单地通过将开关能量Esw与放大器的PWM开关频率fsw进行相乘而获得:

开关能量Esw通过下式获得:

式中,t为开关脉冲的长度。
利用放大器参数和MOSFET的数据页,可以通过公式7求得PSWITCHING。

式中,Vbus为放大器的总线电压,tr和tf则分别是MOSFET的上升和下降时间。Coss
为MOSFET的输出电容,Qr为MOSFET的体二极管反向恢复电荷,K为系数,该系数的引入原因是考虑到MOSFET的TJ以及特定的放大器条件,如IF和dIF/dt。相类似,栅极损耗可以通过下式获得:

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。
结论
对于D类音频放大器性能的优化、尺寸和成本而言,像BVDSS、RDS(on)、Qg、Qrr、RG(int)、TJ(max)这些MOSFET参数以及封装都起着关键的作用。然而,不可能以偏概全,因为不同的功率电平需要不同的组合。因此,根据输出功率的要求,设计师必须仔细地选取合适的参数组合来实现放大器的最佳性能,并降低尺寸和成本。数字音频MOSFET中的各种参数必须被优化,才能实现最佳的D类放大器的综合性能。
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