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D 类放大器的效率如何?如何计算效率?

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D 类放大器的效率如何?如何计算效率?

线性放大器可为所需的输出电压提供定量的电流。在桥接式负载 (BTL) AB 类放大器中,电源电流与输出电流相等。D类放大器是一套采样系统,可在给定周期向负载提供定量功率。D 类放大器输出脉宽调制 (PWM) 信号,并使用去藕电容器与输出过滤电感器 (filter inductor) 或扬声器电感(对于无过滤器调制而言)作为能量存储元素,从而能从电源向负载提供定量的功率。PWM信号在电源轨之间进行输出电压切换,从而在输出晶体管上实现极低的压降。与此相对,AB 类输出 FET 将大多数时间花在电源轨的活动区域,从而导致大量的功耗并进而使效率低下。

理想的D 类放大器效率为100%,因为其目的是从电源向负载提供相同量的功率。D 类放大器理想的MOSFET应为,在"开启"rDS(on) 状态的漏极到源极电阻应为零,在"关闭"-rDS(off)状态的漏极到源极电阻应为无限大。不幸的是,所有的MOSFET其rDS(on) 状态下都不为零,而rDS(off) 状态下电阻都是有限的。rDS(on) 与 rDS(off) 产生的功率损耗称作传导损耗。由rDS(on)、rDS(off) 与输出负载或扬声器 RL形成分压器。rDS(off) 的值足够大,因此在计算效率时可忽略。

方程式5给出了计算效率的方程式,即输出功率与供应功率之比。过滤电感器或扬声器电感(对于无过滤器调制而言)能保持高频率切换电流较低,这样此处获得的电流就是音频带中的电流。在下面部分讨论静电损耗时,我们将考虑到切换电流损耗。通过rDS(on) 的电流等于通过负载的电流,这导致输出功率与方程式5不相符,也就使传导损耗影响的效率与输出功率无关。方程式7显示了传导损耗影响的效率。

Efficiency = POUT / PSUP (5)

Efficiency (CONDUCTION) = iL^2 * RL / iL^2 * (2rDS(on) + RL) (6)

Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) (7)

方程式7可用作计算rDS(on) 对效率影响的第一位近似值。对rDS(on) 为0.1 ohm而负载电阻RL为4 ohm而言,效率为95%。如果rDS(on)上升为0.3 ohm,则效率降至87%。

放大器的偏置电流、闸电荷 (gate charge) 以及切换电流都会消耗功率。为了计算两种或更多损耗影响下的效率,方程式5中的PSUP应就输出功率与消耗功率进行分解。

Efficiency = POUT / PSUP = POUT / (POUT + PD1 + PD2 + PD3 ...) (9)

放大器的偏流、闸电荷以及切换电流损耗可视作独立于输出功率,因为传导损耗在输出功率最大时占主导地位,可算入静电损耗 PQ。静电损耗计算方法如下:器件工作状态下无输入信号时(带有生产中将使用的过滤器与负载)的电源电流乘以电源电压。

PQ = IDD(q) * VCC (10)

为了使用效率方程式 (9),传导损耗中的功耗必须从方程式7中得出。解方程式7与9得出传导损耗中消耗的功率 PD(CONDUCTION)。方程式12显示了结果。

Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) = POUT / (POUT + PD(CONDUCTION)) (11)

PD (CONDUCTION) = POUT * 2rDS(on) / RL (12)

将方程式10与12中的消耗损耗插入方程式9,计算D 类效率如下:

Efficiency = POUT / POUT + (POUT * 2rDS(on) / RL) + PQ (13)

静电损耗在低输出功率电平上占主导地位,而传导损耗在高功率电平上占主导地位。

D 类放大器比AB 类放大器的效率高得多。更高功率意味着消耗的功率更低,这使我们采用12V的D 类放大器时不必使用散热片,而与之相当的AB 类放大器则离不开散热片。在输出功率为10W的情况下,TPA3002D2为4 ohm时消耗功率仅为3.7 W,而与其相当的AB 类放大器的功耗则高达14 W。
 

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