转：提升D类音频功放输出功率的方法（2）

只看该作者 · 2012-10-20 12:35

输出功率与负载电阻 从提升输出功率的角度而言，由于输出功率与电压成平方正比，即P∝V2，因此电源电压由5V提升到6V时输出功率可以提升1.44倍即(6V/5V) 2 = 1.44。以TMPA3155DS或TMPA3156DS为例，在5V及4Ω时每声道可以输出3W，但在6V及4Ω时每声道可输出4.45W或立体声共8.9W，输出功率提升了4.45W/3W = 1.48倍，略大于理论值1.44倍。

图2：输出功率与负载的关系曲线图。

由于输出功率与负载电阻成反比，即P∝(1/R)，因此阻抗由4Ω降为3Ω时输出功率可以提升1.333倍即4V/3V = 1.333。所以测试条件由5V及4Ω变为6V及3Ω时，输出功率可提升1.92倍即1.44×1.333 = 1.92。以TMPA3056DM或TMPA3058DM为例，在5V及4Ω时可输出3.1W但在6V及3Ω时可输出5.3W，输出功率提升了5.3W/3.1W = 1.71倍，小于理论值1.92倍。从以上实例可以发现，工作电压的提升可有效提高输出功率，如TMPA3155DS/TMPA3156DS由5V及4Ω变成6V及4Ω时输出功率提升了1.48倍，但负载电阻的降低配合电压的提升并不能使输出功率按比例增加，如TMPA3056DM/TMPA3058DM由5V及4Ω变成6V及3Ω时，输出功率仅提升1.71倍。这是由于输出晶体管接不同的负载会有不同的效率。例如Rds(on)为0.4Ω而负载是4Ω，则输出晶体管的直流效率是4Ω/(4Ω+0.4Ω)= 91%。但同样当Rds(on)是0.4Ω，对3Ω负载而言直流效率为3Ω/(3Ω+0.4Ω)= 88.23%。此外，3Ω阻抗所造成电流的增加也会提高Rds(on)值而使输出晶体管的直流效率更差。Rds(on)值与负载的关系如图3。

图3：汲极的电流与电压曲线图。

汲极的电流ID与汲极的电压VDS的关系为 ID = K[(VGS – VT)VDS – 0.5VDS2] 因此 ID/VDS = K[(VGS – VT) – 0.5VDS] Rds(on) = VDS/ID = 1/{K[(VGS – VT) – 0.5VDS]} 由汲极的电流与电压曲线图可知，如果负载线由4Ω改为3Ω则汲极的电流及电压由(ID1, VDS1)变为(ID2, VDS2)。因为VDS由VDS1增加为VDS2，依上述Rds(on)计算公式，当VDS增加时Rds(on)也对应增加，从而使输出晶体管的直流效率更差。另外温度效应是一个不太容易测量的因素，但在高温时温度效应会有很大影响。由于上述芯片的输出晶体管效率高，温度效应较不明显，例如Rds(on)因为温度上升而由0.4Ω提升1.5倍至0.6Ω，在4Ω负载的状况下，输出晶体管直流效率由4Ω/(4Ω+0.4Ω) = 91%降至4Ω/(4Ω+0.6Ω) = 87%。但是如果原本输出晶体管的效率不高，如Rds(on)原来是0.6Ω，但由于温度上升，Rds(on)由0.6Ω提升1.5倍至0.9Ω时，输出晶体管直流效率由4Ω/(4Ω+0.6Ω) = 87%降至4Ω/(4Ω+0.9Ω) = 81.6%。实际上，Rds(on)较高使效率变差而产生较多的热，造成温度上升，由于VT与温度成正比，温度上升会VT增大导致Rds(on)上升，进而使得效率下降幅度更大。因此，降低负载电阻对功率的提升会因为直流效率变差使温度效应更明显而无法达到预期的目标。以上得出的结论是：在应用中要提升输出功率时，提升工作电压比降低负载电阻有效，不仅输出功率与工作电压成平方正比，而且可以维持输出晶体管与负载电阻的相对效率及较低的温度效应。但是提升工作电压时要确认芯片对于高电压及高电流的承受程度，供货商的产品手册会有详细标示。基于可靠度的考虑，验证的时候需提高测试条件以确保应用的容许度及产品的生命周期。