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。
體二極管和效率
MOSFET的 結構中有一個內置固有的反向體-漏二極管，該二極管呈現為反向恢復特性。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，使反向恢復損耗降低到最小，從而把開關損耗降到最小。然而，死區在這里也起作用。實際上，死區時間 的減小將使得換相電流在絕大部分時間內都留過MOSFET溝道，從而減小了體二極管電流，進而減小了少數載流子電荷和Qrr。不過，較小的死區時間將會引 起沖擊電流。這對功率橋MOSFET來說是一個存在風險的條件，這也將降低放大器的性能。因此，設計師必須選取一個最佳的死區時間，即能夠大幅減小 Qrr，同時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貢獻有關。高恢復電流再加上電路的雜散電感和 電容，將會在MOSFET中產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 的和軟恢復電流是至關重要的。由于較小的軟反向恢復將會改善放大器的效率并降低EMI，原因是MOSFET中的開關損耗和電流-電壓瞬變振鈴的降低。
在 為D類放大器選擇合適的MOSFET時需要考慮的另一個參數是晶體管的內部柵極電阻RG(int)，這是一個與溫度變化有關的參數，隨著溫度的上升將增 大。該參數影響MOSFET的通斷開關時間。高RG(int)將會增加總的柵極電阻，減小柵極電流，從而增加開關時間。因此將增大MOSFET的開關損 耗。此外，RG(int)的變化還會影響死區時間控制。
MOSFET封裝
同等重要的還有MOSFET的封 裝，因為封裝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的電氣參數時都極為重要。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，內部 封裝電感將會對EMI噪聲的產生起很大貢獻。圖5中對利用相同的MOSFET芯片但內部電感不同的兩種封裝的EMI噪聲進行了比較。例如，將 DirectFET MOSFET(<1nH)與TO-220(~12nH)
進行比較，發現前者具有更好的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，最高結溫TJ(max)也是非常關鍵的，因為它決定了散熱器的大小。具有較高結溫的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。
數字音頻MOSFET
綜合考慮了上述各種參數，IR公司特別開發出了用于D類音頻應用放大器的功率MOSFET，稱作為數字音頻MOSFET。為了改善其總的D類音頻放大器的性能，設計中對尺寸和多個參數進行了專門優化。
如 前所述，RDS(on)和Qg是決定MOSFET功耗的關鍵參數。這些參數與MOSFET的芯片尺寸密切相關，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現更低的MOSFET功耗，如圖6所示。進一步，數字音 頻MOSFET將保證能提供一個最大的RG(int)，更低的Qrr以及一個高達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，以便為D類音頻放大器應用提供高效率、穩健性以及可靠的器件。
為了簡化設計師的MOSFET的選擇過程，表2中列舉出了一系列為應用進行了關鍵參數優化的數字音頻MOSFET。這些MOSFET采用了最新的工藝技術來實現最佳的參數組合。同時，DirectFET封裝技術將寄生電感和電容減到最小，從而降低了EMI干擾。
表2：列舉出關鍵參數的一系列數字音頻MOSFET。
進一步，將DirectFET數字音頻MOSFET(IRF6445)與合適的控制器加驅動器(IRS2092S)一道使用，就能夠實現圖7所示的雙通道120W半橋D類音頻放大器。
對 上述參考設計所實測的性能顯示，在1kHz處的總諧波失真加噪聲(THD+N)只有大約1%左右。當驅動圖8所示的4Ω阻性負載時，每個通道的效率達到了 96%。其結果，功耗低于常規需求(只有連續額定功率的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。
結論
對于D類音頻放大器性能的優化、尺寸和成本而言，像BVDSS、 RDS(on)、Qg、Qrr、RG(int)、TJ(max)這些MOSFET參數以及封裝都起著關鍵的作用。然而，不可能以偏概全，因為不同的功率電 平需要不同的組合。因此，根據輸出功率的要求，設計師必須仔細地選取合適的參數組合來實現放大器的最佳性能，并降低尺寸和成本。數字音頻MOSFET中的 各種參數必須被優化，才能實現最佳的D類放大器的綜合性能。