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D类音频功放动态效率的评估

导读: D类音频功率放大器最大的特色是高效率,高效率的优点是省电及降低发热量。如果功放的效率是90%而芯片的封装可以散热1W,则这个功放可以输出大约10W的功率,这対系统设计提供极大的方便。

  D类音频功率放大器最大的特色是高效率,高效率的优点是省电及降低发热量。如果功放的效率是90%而芯片的封装可以散热1W,则这个功放可以输出大约10W的功率,这対系统设计提供极大的方便。

  D类功率放大器的效率可以由不同角度来看。高效率主要原因来自输出功率晶体管低的导通电阻Rds(on),如果导通电阻为0.4欧姆而喇叭阻抗是4欧姆那输出晶体管的效率等于91%但是功放还有其它消耗,这包括模拟电路的消耗,模拟与数字的混合电路消耗及数字电路的消耗。这些消耗表现在无载静态电流Iq。如果电源电压5V而Iq是5mA, 则静态消耗功率是25mW。 所以计算功放的效率需要同时考虑静态消耗与输出晶体管的消耗两个因素。

  如果加上负载而输出25mW的功率且输出功率晶体管的效率是90%则功率晶体管的消耗大约2.5mW。所以输出25mW的状况下总消耗功率包括静态消耗,功率晶体管消耗及输出功率,亦即 25mW + 25mW + 2.5mW = 52.5mW,此刻的效率就是 25mW/52.5mW = 48%。 以同样的方式计算如果输出250mW则总消耗功率是 25mW+ 250mW + 25mW = 300mW,此刻的效率是 250mW/300mW=83%。 同样的如果输出2.5W则总消耗功率是 25mW+ 2.5W + 250mW =2.775W,此刻的效率是 2.5W /2.775W= 90%,接近输出功率晶体管的效率。 所以输出功率小的时候输出晶体管的消耗可以忽略而输出功率大的时候静态消耗可以忽略。

  如果负载等于4欧姆效率高于90%的输出晶体管其导通电阻只有0.4欧姆或更小,如果是BTL的双端输出,Rds(on)是由一个PMOS及一个NMOS造成,每个MOS大约只有0.2欧姆的导通电阻所以容易造成量测误差。量测的时候大电流路径要选用粗线同时要焊接以降低接线电阻。抽取大电流时要维持电源电压的稳定。由于输出功率晶体管导通电阻的量测容易产生误差且其阻值与量测条件例如电流量或电压有关,最好观查输出功率晶体管效率的方法是查看效率曲线的大输出功率端的效率,这一点的效率非常接近输出功率晶体管效率,但要注意的是此曲线必须是在使用电阻负载的条件下取得。

  如果Pi代表电源输入功率,Pq代表静态消耗功率,Po代表输出功率,Emos代表输出功率晶体管的效率而Eff代表总效率,则其相互关系为

  Po = ( Pi - Pq ) x Emos 及 Eff = Po/Pi

  合并上述公式, 则总效率

  Eff = ( Po x Emos ) / (Po + Emos x Pq)

  如果输出功率Po与静态消耗功率Pq的比是Poq,则

  Eff = ( Poq x Emos ) / (Poq + Emos )

  这个简单的公式可以容易观察输出功率与总效率的关系。

  所以如果功率晶体管的效率Emos = 90% 且输出功率Po是静态消耗功率Pq的10倍,亦即Poq= 10, 则总效率Eff = ( 10 x 0.9 ) / ( 10 + 0.9 ) = 83%。如果功率晶体管的效率Emos同样是90%且输出功率Po是静态消耗功率Pq的8倍, 则总效率Eff = ( 8 x 0.9 ) /( 8 + 0.9 ) = 81%。以上例子显示同一个D类功放其输出功率与静态消耗功率的比决定了总效率,亦即静态消耗电流対总效率有一定程度的影响。另外如果功率晶体管的效率Emos = 90%, 一个静态消耗功率是25mW或5V电压5mA静态消耗电流的功率放大器只要输出功率大于25mA x 8 = 200 mW即可以有81%的效率。但是如果静态消耗功率是50mW或5V电压10mA静态消耗电流的功率放大器则输出功率要大于50mA x 8 = 400 mW才可以有同样的效率,所以实质效率需要考虑静态消耗电流。以上讨论并未包括输出滤波器的消耗,电路图如果含有输出滤波器则输出滤波器产生的消耗要算在静态消耗功率。

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