Class-D定压放大器70V100V

定压（Constant-Voltage）放大器用于远距离音频功率分配，通过提高输出电压、降低电流来减少线缆 $I^{2}R$ 损耗。Class-D拓扑在定压应用中具有显著优势：效率对供电轨电压的敏感度远低于Class-AB，可实现无变压器的直接驱动（Direct Drive）。主要标准为美国70.7V和欧洲100V。

18.1 定压放大器的定义与命名

“定压”并非指输出电压恒定，而是指峰值输出电压符合标准值：

标准	RMS电压	峰值电压	100W时电流	额定负载阻抗
70V（美国）	70.7V	±100V	1.414A RMS	49.98Ω
100V（欧洲）	100V	±141.4V	1.00A RMS	100Ω

• Lo-Z（低阻抗）：驱动4~8Ω扬声器
• Hi-Z（高阻抗）：驱动定压分配网络

18.2 定压系统的由来与原理

定压系统本质是音频功率分配系统，与电力公司高压输电原理相同：

$$P=I\times V$$

对于100W功率分配：

• 100V × 1A → 低 $I^{2}R$ 损耗
• 10V × 10A → 高 $I^{2}R$ 损耗
• 1V × 100A → 极高损耗

典型应用场景：大型会议室天花板扬声器、酒店走廊、体育场馆分布式音响。

18.3 负载阻抗的宽范围特性

定压放大器面对的负载阻抗变化极大：

$$Z=\frac{V^2}{P}$$

• 满载（250W）：$Z=70.7^2/250=20\Omega$
• 单只10W扬声器：$Z=70.7^2/10=499.8\Omega$
• 空载：$Z=\infty$

设计要求：Class-D定压放大器必须在从额定负载到空载的全阻抗范围内保持稳定，并满足音频性能指标（频率响应平坦度等）。这与Lo-Z放大器不同——Lo-Z放大器仅在设计的低阻抗范围内测试性能。

18.4 输出升压变压器方案

18.4.1 工作原理

Lo-Z放大器通过输出升压变压器将低电压升至70V/100V，再由远端扬声器侧的降压变压器还原。

18.4.2 变压器劣势

劣势	说明
插入损耗	升压+降压两端均有 $I^{2}R$ 和铁芯损耗
体积/重量	需支持 $V\times T$ 积而不饱和
成本	大铁芯+多匝绕组
负载调整率	空载至满载输出电压变化可达25~30%
频率响应	低频滚降（磁化电流）+ 高频滚降（绕组电容）

18.4.3 变压器 $V\times T$ 积与磁化电流

$$di=\frac{V_L\cdot dt}{L}$$

为保持磁化电流远小于反射负载电流：

• 增大初级电感量 → 增大铁芯尺寸和匝数 → 体积重量增加
• 缩短施加电压时间 → 受限于低频响应需求

实用折中：使用2阶高通滤波器（12dB/octave），截止频率60~80Hz，限制低频响应以大幅减小变压器尺寸。

18.4.4 变压器的优势

提供电气隔离（galvanic isolation），某些国家和安装场景中为强制要求。

18.5 直接驱动方案（Direct Drive）

18.5.1 Class-D的优势

Class-AB效率高度依赖供电轨电压与输出电压之差：$P_{loss}=I_{out}\times V_{DS}$。Class-D效率对供电轨电压的敏感度低得多，可直接产生Hi-Z输出电压。

直接驱动Hi-Z/Lo-Z兼容输出是商用放大器最流行的方案，提供极大安装灵活性。

18.5.2 半桥功率级电压要求

Hi-Z标准	峰值输出电压	供电轨电压（95%最大占空比）	功率管峰值电压	最低额定电压
70.7V	±100V	±111.1V	222.1V	300V
100V	±141.4V	±157.1V	314.2V	400V

经验法则：最大工作电压不超过功率管额定电压的80%。需考虑振铃和过冲产生的 $V_{DS-peak}$。

半桥劣势：需极高电压功率管，且存在供电轨泵浦问题。

18.5.3 全桥功率级电压要求

Hi-Z标准	峰值输出电压	双电源轨电压（95%占空比）	功率管峰值电压	最低额定电压
70.7V	±100V	±55.55V	111.1V	150V
100V	±141.4V	±78.55V	157.1V	200V

全桥优势：

• 功率管电压额定值大幅降低 → 更低 $R_{DSON}$ → 更低导通损耗
• LC滤波和EMI抑制元件电压额定值降低（如100V额定即可）
• 消除供电轨泵浦

18.5.4 单电源全桥（BTL）

• 简化电源设计（仅需单路DC）
• 无供电轨泵浦
• 静态时输出端有 $V_{RAIL}/2$ 直流偏置 → 需审查安全标准
• 反馈路径需电平转换

18.5.5 双电源全桥

• 静态输出0V → 音频信号全程地参考
• 无供电轨泵浦
• 电源设计复杂度增加

18.6 Hi-Z/Lo-Z兼容输出的过流保护

问题：同一放大器驱动Hi-Z和Lo-Z负载时，过流阈值差异巨大：

• 100V/100W Hi-Z：仅需1A RMS（±1.414A peak）
• 4Ω Lo-Z：需5A RMS（±7.07A peak）

若OCP阈值设为>7.07A，在Hi-Z模式下可产生 $100V\times 5A=500W$ 的严重过功率。

解决方案：

方案	实现方式
可选OCP	用户选择或自动检测负载阻抗
输出功率限制	自动监测负载阻抗并限制
电源轨电流检测	固定DC电压下，轨电流与输出功率对应

两种自动方案均需同时监测输出电压和电流。

18.7 可选/可变供电轨电压

Class-D效率虽对供电轨不敏感，但降低轨电压仍可减少开关损耗。

实践方案：

• 多路供电轨切换
• Lo-Z模式 → 低压轨
• Hi-Z模式 → 高压轨
• 可按通道独立切换或全通道同步切换

参考文献

• Bohn, D. (1997). Constant-voltage/constant-current power distribution.
• Crown Engineering Staff. (2005). Constant voltage audio distribution.
• Giddings, P. (1990). Audio systems design and installation.

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