如何评估D类音频功率放大器的动态效率

时间:2024-07-16

D类音频功率放大器的最大特点是效率高。

高效率的优点是节省功率并减少热量的产生。

如果功率放大器的效率为90%并且芯片的封装可以耗散1W,则功率放大器可以输出大约10W的功率,这为系统设计提供了极大的便利。

D类功率放大器的效率可以从不同角度观察。

效率高的主要原因是输出功率晶体管的导通电阻Rds(on)低。

如果导通电阻为0.4欧姆,扬声器阻抗为4欧姆,则输出晶体管的效率等于91%。

但是功率放大器还有其他消耗,包括模拟电路的消耗,模拟和数字混合电路的消耗以及数字电路的消耗。

这些消耗体现在空载静态电流Iq中。

如果电源电压为5V,Iq为5mA,则静态功耗为25mW。

因此,计算功率放大器的效率需要同时考虑静态功耗和输出晶体管功耗。

如果将负载施加到输出25mW的功率,并且输出功率晶体管的效率为90%,则功率晶体管的功耗约为2.5mW。

因此,在输出为25mW的情况下的总功耗包括静态功耗,功率晶体管功耗和输出功率,即25mW + 25mW + 2.5mW = 52.5mW,此时的效率为25mW / 52.5mW = 48% 。

以相同的方式计算,如果输出为250mW,则总功耗为25mW + 250mW + 25mW = 300mW,此时的效率为250mW / 300mW = 83%。

同样,如果输出为2.5W,则总功耗为25mW + 2.5W + 250mW = 2.775W,当前效率为2.5W /2.775W = 90%,接近输出功率的效率晶体管。

因此,当输出功率低时,可以忽略输出晶体管的功耗,而当输出功率高时,可以忽略静态功耗。

如果负载等于4欧姆,则效率高于90%的输出晶体管的导通电阻仅为0.4欧姆或更小。

如果它是BTL双端输出,则Rds(on)由一个PMOS和一个NMOS引起,并且每个MOS大约为。

0.2ohm的导通电阻很容易引起测量误差。

测量时,应在大电流路径和焊接时使用粗线以减小布线电阻。

吸收大电流时,请保持电源电压的稳定性。

由于输出功率晶体管导通电阻的测量容易出现误差,并且其电阻与电流或电压等测量条件有关,因此观察输出功率晶体管效率的最佳方法是查看效率效率曲线的大输出功率端。

一点处的效率非常接近输出功率晶体管的效率,但应注意,该曲线必须在使用电阻负载的条件下获得。

如果Pi代表输入功率,Pq代表静态功耗,Po代表输出功率,Emos代表输出功率晶体管的效率,Eff代表总效率,则相关性为Po =(Pi-Pq)x Emos并且Eff = Po / Pi结合以上公式,则总效率Eff =(Po x Emos)/(Po + Emos x Pq)如果输出功率Po与静态功耗Pq之比为Poq,则Eff = (Poq x Emos)/(Poq + Emos)这个简单的公式可以轻松观察输出功率与总效率之间的关系。

因此,如果功率晶体管Emos的效率= 90%并且输出功率Po是静态功耗Pq的10倍,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也为90%,而输出功率Po为静态功耗Pq的8倍,则总效率Eff =(8 x 0.9)/(8 + 0.9)= 81%。

上面的示例表明,同一D类功率放大器的输出功率与静态功耗之比决定了总效率,也就是说,静态电流消耗和总效率具有一定程度的影响。

另外,如果功率晶体管Emos的效率= 90%,则静态功率消耗为25mW或5V电压为5mA静态电流消耗的功率放大器的效率可以达到81%,只要输出功率大于25mA x 8 = 200毫瓦但是如果静态功耗是50mW或5V电压10mA静态电流功耗功率放大器,则输出功率必须大于50mA x 8 = 400 mW才能具有相同的效率,因此实际效率需要考虑静态电流消耗。

上面的讨论不包括输出的消耗