如何构建D类功率放大器

学习如何自制D类功率放大器——聆听音乐最高效的方式之一。
强大的D类放大器——自己动手制作一个，感受它的高效。散热器几乎不会发热！

你是否一直想自制音频功率放大器？一个既能亲眼见证结果，又能亲耳聆听其音效的电子项目？

如果你的答案是肯定的，那么你应该继续阅读本文，了解如何自制D类放大器。我将向你解释它们的工作原理，并一步步指导你亲自创造奇迹。

理论基础
什么是D类音频功率放大器？答案可能只有一句话：它是一种开关放大器。但为了全面了解其工作原理，我需要向你介绍它的所有细节。

先从第一句话开始。传统放大器，如AB类放大器，作为线性器件运行。相比之下，开关放大器之所以这样命名，是因为功率晶体管（即MOSFET）像开关一样工作，状态从关闭切换到开启。这使得其效率非常高，高达80%至95%。因此，该放大器不会产生大量热量，也不需要像线性AB类放大器那样使用大型散热器。相比之下，B类放大器的最大效率在理论上只能达到78.5%。

下面你可以看到我们正在制作的基本PWM D类放大器的框图。

输入信号通过比较器被转换成脉冲宽度调制（PWM）的矩形信号。这基本上意味着输入被编码到矩形脉冲的占空比中。矩形信号被放大后，再经过低通滤波器，最终得到原始模拟信号的高功率版本。

还有其他将信号转换为脉冲的方法，如ΔΣ（增量-求和）调制，但在这个项目中，我们将使用PWM。

使用比较器的脉冲宽度调制
在下面的图表中，你可以看到我们是如何将正弦波信号（输入）与三角波信号进行比较，从而将其转换为矩形信号的。

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在正弦波的正峰值处，矩形脉冲的占空比为100%，而在负峰值处则为0%。三角波信号的实际频率要高得多，通常在数百kHz的范围内，以便我们稍后能够提取出原始信号。

真实的滤波器（而非理想滤波器）在从通带到阻带的过渡中并不具有完美的“砖墙”特性，因此我们希望三角波信号的频率至少比人类听觉上限的20KHz高10倍。

功率级——理论上听起来不错

理论是一回事，实践又是另一回事。如果我们想将前面的框图付诸实践，就会遇到一些问题。

其中两个问题是功率级中器件的上升和下降时间，以及我们使用NMOS晶体管作为高端驱动器的事实。

因为MOSFET的开关不是瞬间完成的，而是更像是在上坡和下坡之间移动，所以晶体管的导通时间会有重叠，从而在正电源轨和负电源轨之间形成低阻抗连接。这会导致高电流脉冲通过我们的MOSFET，从而可能导致其损坏。

为了防止这种情况，我们需要在驱动高端和低端MOSFET的信号之间插入一些死区时间。实现这一目的的一种方法是使用国际整流器（Infineon）公司的专用MOSFET驱动器，如IR2110S或IR2011S。此外，这些集成电路还为高端NMOS提供了所需的栅极升压电压。

低通滤波器

在滤波阶段，实现这一目标的最佳方式之一是使用巴特沃斯滤波器。

这种类型的滤波器在通带中具有非常平坦的响应。这意味着我们想要实现的信号不会被过度衰减。

我们希望滤除高于20kHz的频率。截止频率是在-3dB处计算的，因此我们希望它稍高一些，以便不会滤除我们想要听到的声音。最好在40kHz到60kHz之间选择一个值。品质因数（Quality Factor）

以下是用于计算电感器和电容器值的公式：

打造您自己的DIY放大器（Luke-The-Warm）

既然我们已经了解了D类放大器的工作原理，那么现在我们就来动手制作一个吧。

首先，我将这个放大器命名为Luke-The-Warm，因为与如果不进行主动冷却可能会变得非常热的Class AB放大器相比，它的散热器只会微微发热。

下面您可以看到我设计的放大器的示意图。它是基于国际整流器（Infineon）的IRAUDAMP1参考设计。主要区别在于，我使用了PWM而不是ΔΣ（增量-求和）调制。

现在，我将告诉您一些设计选择以及各组件如何协同工作。让我们从左侧开始。

输入电路

对于输入电路，我决定最好先使用高通滤波器，然后再使用低通滤波器。就这么简单。

三角波发生器

对于三角波发生器，我使用了LMC555，这是著名555芯片的CMOS版本。电容器的充电和放电会产生一个不错的三角波，虽然它并不完美（上升和下降都是指数型的），但如果上升和下降时间相等，那么它就能完美工作。

电阻和电容的值决定了大约200kHz的频率。如果频率高于此值，我们将会遇到问题，因为比较器和MOSFET驱动器并不是最快的设备。

比较器

对于比较器，您可以使用任何您想要的组件——只要它足够快就行。我使用了手头可用的LM393AP。虽然它的响应时间为300ns，并不是最快的，但确实可以完成这项工作，当然也可以进行改进。如果您想使用其他集成电路，请务必小心检查引脚是否匹配，否则您可能需要修改PCB设计。

理论上，运算放大器可以用作比较器，但实际上运算放大器是为其他类型的工作而设计的，因此请确保您使用的是真正的比较器。

由于我们需要从比较器获得两个输出，一个用于高端驱动器，另一个用于低端驱动器，因此我决定使用LM393AP。这是一个双比较器封装，我们只需为第二个比较器交换输入即可。另一种方法是使用具有两个输出的比较器，如Linear Technology的LT1016。这些设备可能提供了一定程度的性能改进，但也可能更昂贵。

这些比较器由5V双极性电源供电，该电源由两个稳压二极管提供，它们从主电源（±30V）调节电压。

MOSFET驱动器

对于MOSFET驱动器，我选择了IR2110。另一种选择是参考设计中使用的IR2011。这个集成电路确保了添加我在上一节中提到的死区时间。

由于集成电路的VSS引脚连接到负电源，因此我们需要对来自比较器的信号进行电平转换。这是通过使用PNP晶体管和1N4148二极管来完成的。

为了驱动MOSFET，我们以负电源电压为参考，用12V为IR2110供电；这个电压是通过BD241与12V稳压二极管结合产生的。高端MOSFET需要由比开关节点VS高约12V的栅极电压来驱动。这需要比正电源更高的电压；IR2110在我们的自举电容C10的帮助下提供这个驱动电压。

最后，是滤波器。截止频率为40kHz，负载电阻为4欧姆，因为我们有一个4欧姆的扬声器（这里使用的值也适用于8欧姆的扬声器，但最好根据您选择的扬声器调整滤波器）。有了这些信息，我们可以计算出电感和电容的值：

我们可以安全地向下取整到22µH。

最接近的标准值是680nF。

关于制作的注意事项

现在您已经了解了内部工作原理，接下来只需仔细阅读以下几行，下载下面的文件，购买所需组件，蚀刻PCB，并开始组装。

低通滤波器

对于低通滤波器，您可以使用680nF的电容器以尽可能接近计算值，但您也可以毫无问题地使用1µF的电容器（我设计的PCB允许您使用两个电容器并联来混合搭配）。

这些电容器需要是聚丙烯或聚酯的——一般来说，使用陶瓷电容器来处理音频信号并不是一个好主意。而且您需要确保用于滤波的电容器具有高电压额定值，至少为100VAC（更高也无妨）。设计中的其他电容器也需要有适当的电压额定值。

我设计这款放大器的输出功率约为100-150W。您应该使用±30V的双极性电源。您可以提高这个电压，但如果电压达到±40V左右，您需要确保将电阻R4和R5的值更改为2K2。

虽然使用BD241C时加装散热器并非必要，但强烈推荐这样做，因为它会变得很热。

MOSFET

就功率MOSFET而言，我建议使用IRF540N或IRFB41N15D。这些MOSFET具有低栅极电荷以实现更快的开关速度和低RDS(on)以实现更低的功耗。您还需要确保MOSFET具有足够的最大VDS（漏源电压）额定值。您可以使用IRF640N，但其RDS(on)要高得多，导致放大器效率较低。以下是这三种MOSFET的比较表：