隨著半導體器件和電路技術的最新發展，如今D類音頻放大器在電視/家庭娛樂，音響設備和高性能便攜式音頻應用中得到廣泛的應用。高效率，低失真，以及優異的音頻性能都是D類放大器在這些新興的大功率應用中得到廣泛應用的關鍵驅動因素。然而，如果輸出功率橋接電路中的MOSFET如果選擇不當，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候。因此，要設計一款具有最佳性能的D類放大器，設計師正確理解驅動喇叭的器件關鍵參數以及它們如何影響音頻放大器的性能是至關重要的。

如我們所知，D類放大器是一種開關型放大器，它分別由一個脈沖寬度調制器(PWM)，一個功率橋電路和一個低通濾波器組成，如圖1所示。為了實現放大器的最佳性能，必須對功率橋中的開關進行優化，使得功率損耗、延遲時間、電壓和電流毛刺都保持最小。因此，在這類放大器設計中，需要采用的開關應該具有低壓降、高速的開關時間以及很低寄生電感。雖然這種開關有多種選擇，但已證明MOSFET是用于這類放大器的最好開關，原因在于其開關速度。由于它是多數載流子器件，與IGBT或BJT這類器件相比，其開關時間比較快。但是要使D類放大器實現最好性能，所選的MOSFET必須能夠提供最低的功、最小的延遲和瞬態開關毛刺。


于是，所選的MOSFET參數必須最優。關鍵的參數包括包括漏源擊穿電壓BVDSS，靜態漏源通態電阻RDS(on)，柵極電荷Qg，體二極管反向恢復電荷Qrr，內部柵極電阻RG(int)，最大結溫TJ(max)，以及封裝參數。這些參數的適當選擇將會實現最低的功耗，改進放大器的效率，實現低失真和更好的EMI性能，以及減小尺寸和/或成本。


選擇MOSFET參數

不過，在動手前，重要的是要理解一些基本指標，如放大器輸出功率，負載阻抗(如100W功率輸出到8Ω阻抗上)，功率橋接電路拓撲架構(全橋還是半橋)，以及調制度(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，當選擇該額定電壓時，還必須考慮其他一些因素，如MOSFET的開關峰值電壓以及電源的波動等。如果忽略這一點，將會導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載阻抗，功率橋電路拓撲結構，調制度，還要考慮到一個與電路相關的附加因子(通常為10-50%)，最后可以通過方程1和方程2計算出最小的BVDSS。



且




這里，POUT為輸出功率，而RLOAD為負載阻抗，M為調制度。

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類放大器結構的MOSFET額定電壓。


由于BVDSS與MOSFET通態電阻RDS(on)有關,選擇一個盡可能最低的BVDSS是很重要的，因為高的BVDSS將導致高的RDS(on)，從而MOSFET的功耗將更高。


如今我們已經知道MOSFET的總功耗將決定放大器的效率。這些功耗是MOSFET的傳導損耗，開關功耗以及柵極電荷損耗的總和。而且，MOSFET的結溫TJ和散熱片的大小取決于總功耗。因此，高功耗將導致結溫增加，從而增加散熱器的尺寸。


由于MOSFET的傳導損耗直接與RDS(on)有關，對于標準的柵控MOSFET，通常該參數都將在數據頁中給出，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的傳導損耗，并可以容易地通過方程3計算出來。




由于RDS(on)與溫度有關，在熱設計中必須注意，以避免熱量溢出。此外，所有工作條件下，結溫TJ(max)都不能超過數據頁中的規定值。因此，計算MOSFET的傳導損耗時，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)將導致較低的MOSFET傳導損耗，從而將得到更高的D類放大器效率。


柵極電荷Qg是另一個直接影響MOSFET開關損耗的關鍵參數，較低的Qg將導致更快的開關速度和更低的柵極損耗。MOSFET的開關損耗定義為：



開關損耗是MOSFET導通和關斷時開關時間所引起的，可以簡單地通過將開關能量Esw與放大器的PWM開關頻率fsw進行相乘而獲得：




開關能量Esw通過下式獲得：



式中，t為開關脈沖的長度。

利用放大器參數和MOSFET的數據頁，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的上升和下降時間。Coss

為MOSFET的輸出電容，Qr為MOSFET的體二極管反向恢復電荷，K為系數，該系數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：



式中為柵極驅動器的電壓。


除了像MOSFET的開關延遲時間所引起的定時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，相對于死區時間，由MOSFET開關所引起的定時誤差就顯得不太重要了，故可以通過選擇合適的死區時間來大幅降低該誤差。實際上，MOSFETQg對放大器的效率的影響要比對線性度的影響大得多。由于可以通過優化死區時間來改善線性度，應該降低Qg，這主要是為了實現較小的開關損耗，如圖3所示。