Class-D放大器概述与历史

Class-D 放大器利用功率开关管（通常为 MOSFET）在超声频率（>20kHz）下工作，将功率器件视为理想开关（全ON或全OFF），从而实现极高的功率转换效率。本章概述 Class-D 放大器的基本原理、与其他放大器类别的对比、功率器件演进历史、以及 Buono 参考设计的系统架构。来源：Class-D Audio Power Amplifier Design Ch1。

1. Class-D 基本原理

1.1 开关功率级

Class-D 的核心是开关功率级：功率管仅工作于两种理想状态：

全OFF（不导通）→ 电流为零 → 功耗为零
全ON（完全导通， $R_{D S (o n)} \approx 0$ ）→ $V = I \times R = 0$ → 功耗为零

实际器件存在 $R_{D S (o n)}$ 和开关损耗，但效率仍可高达 90%+ 。

1.2 效率定义

效率 $η$ 定义为音频输出功率与总输入功率之比，包括低压电路功耗：

η = \frac{P _{O U T}}{P _{I N}} = \frac{P _{O U T}}{P _{r ai l s} + P _{l o w - v o lt a g e}}

参考设计示例（100W/8Ω，半桥拓扑，±48V + 12V）：

电源轨	电流	功率
+48VDC	1.13A	54.35W
−48VDC	1.14A	54.93W
+12VDC	115.83mA	1.39W
总计		110.67W

η = \frac{100 W}{110.67 W} = 90.36%

1.3 PWM 调制原理

**脉宽调制（PWM）**将音频信息编码为高频（典型 ≥250kHz）变占空比方波：

比较器将误差放大器输出与三角波比较
误差放大器输出 > 三角波 → 比较器输出高
误差放大器输出 < 三角波 → 比较器输出低
经 LC低通滤波器恢复音频信号

占空比与输出电压关系（双电源系统， $V_{p} = + V$ , $V_{n} = - V$ ）：

D = \frac{t _{ON, u pp er}}{T}

V_{o u t} = V (2 D - 1)

其中 $D$ 为上管导通时间占切换周期的比例。 $D = 0.5$ 时 $V_{o u t} = 0$ （静态）。

1.4 死区时间（Deadtime）

关键约束：Q1（上管）和 Q2（下管）绝不能同时导通，否则形成直通短路。死区时间是两管都关断的间隔，其调节涉及多重折衷：

增加死区 → 降低功耗/提高效率 → 但增加 THD
减小死区 → 降低 THD → 但增加直通风险和开关损耗

1.5 静态功耗（Quiescent Power）

静态功率是放大器运行所需的基线功率（偏置电路、栅极驱动、保护电路等），不随输出功率变化。在低输出功率时，静态功率占总损耗比例增大，导致低功率时效率下降。因此最小化静态功耗是 Class-D 设计的关键目标。

2. 与其他放大器类别对比

2.1 各类别概览

类别	功率管工作状态	导通角	效率特点
Class-A	全周期线性导通	360°	最低效率，高静态功耗
Class-B	半周期导通	180°	存在交越失真
Class-AB	略重叠导通	180°~360°	折衷方案，低功率效率仍低
Class-G	多固定电压轨切换	同AB	阶梯式电压轨提升效率
Class-H	跟踪电压轨	同AB	可视为无穷阶的Class-G
Class-D	开关模式	—	全功率范围最高效率

2.2 Class-G 与 Class-H

注意：Class-G/H 的定义在不同地区可能互换。本书约定：

Class-G：多组固定电压轨，按输出幅度自动切换更高/更低的供电轨
Class-H：供电轨连续跟踪输出电压，始终维持最小压差

TI (2019) 将 Class-G/H 升压技术应用于 Class-D 设计，以增加输出功率和延长便携设备电池寿命。

3. 功率半导体器件演进

3.1 真空管时代

高电压、高导通电阻
需要降压变压器驱动低阻抗扬声器
低频响应需要大体积变压器铁芯

3.2 双极晶体管（BJT）

低压、低导通电阻，省去变压器
开关频率可达 ~200kHz
缺点：少子器件，存在存储时间（Storage Time），需要 Baker Clamp 等复杂驱动电路

3.3 MOSFET（1980s末 — 范式转换）

电压驱动（vs BJT 的电流驱动）
多子器件，无存储时间
无 SOA（安全工作区）限制
开关频率提升至 400kHz~1MHz
主要缺点：本征体二极管的反向恢复特性（ $T_{rr}$ , $Q_{rr}$ ）→ EMI 挑战

3.4 宽禁带器件 WBG（GaN / SiC）

GaN：零反向恢复时间、更低寄生参数、更低栅极电荷
- 适合中低压/中低功率 Class-D
- 允许更短死区时间、更高 $d v / d t$ 、更少振铃
SiC：面向高压大功率应用

4. Class-D 放大器历史时间线

年代	里程碑
1950s	Alec Reeves（英）据传发明首个 Class-D 放大器
1964	Sinclair Radionics X-10（10W），首个商用 Class-D 套件
1966	Sinclair X-20（20W）
1970s	John Ulrick 为 Infinity Systems 设计 Class-D
1978	Sony TA-N88 工作室功放（早期 VFET）
1984	Brian Attwood 为 Peavey 设计”数字能量转换放大器”
1990s 末	Tact Audio（Millenium, Lars Risbo）、ICEpower（Karsten Nielsen, B&O）、Tripath（TA1101, 1996）
1998	Tripath TA2020（20W/ch/4Ω），量产数百万颗
2000s–今	MOSFET/GaN 持续改进，IC 方案成熟，audiophile 级性能

5. 参考设计系统架构

5.1 参考设计规格

参数	典型值	条件
噪声（A计权）	175μV	22Hz–20kHz/8Ω
SNR（A计权）	104dB	22Hz–20kHz/8Ω
THD@1kHz	0.03%	100W/8Ω
功率级效率	93%	100W/8Ω（仅±48V）

参考设计：分立、模拟、固定频率（500kHz）、半桥拓扑、100W/8Ω

5.2 信号流（12页原理图）

Input/Preamp — 差分放大，增益 1.78×，ESD/RFI 保护
Error Amplifier — 积分器配置，负反馈
PWM Comparator — 高速比较器 + 最小/最大占空比限制 + 削波检测
Triangle Ramp Generator — 16MHz 晶振分频至 500kHz，DC 伺服
Gate Driver — 半桥驱动 IC，死区控制，使能控制
L-C Demodulation Filter — 低通滤波 + Zobel + 500kHz 陷波 + 电流检测
Housekeeping Circuits — UVLO，电压合格检测
Protection Circuits — 过流/过温/DC偏移/过压保护
AC-to-DC Power — ±48V 和 12V AC-DC 变换器
Low-Voltage Block Diagram — 低压配电方案
Low Voltage 1 — DCDC：+7VA, −7VA, −HV+12V
Low Voltage 2 — LDO：+5VA, +5VD, −5VA

5.3 单声道/立体声命名约定

参考标号后缀”A” = 通道1（左声道）
参考标号后缀”B” = 通道2（右声道）
立体声设计需复制所有”A”后缀页面

6. Class-D 设计关键参数体系

设计参数	选项
输出功率/负载阻抗	低/高功率，4/6/8Ω 或定压负载
拓扑	半桥 / 全桥（BTL / PBTL），单/双电源
效率	核心指标
静态功耗	需最小化
开关频率	固定 / 可变
输入类型	模拟 / 数字
反馈类型	无反馈 / 滤波器前 / 滤波器后
输出滤波	LC 滤波器 / 无滤波器

6.1 设计参数相互制约

Class-D 设计的核心挑战在于参数间的相互制约：

调整参数	正面效果	负面效果
增加死区时间	降低功耗，提高效率	增加 THD，影响 EMI
提高电源轨电压	增加削波余量，提高环路增益，改善 THD	增加功耗，降低效率，需更高耐压器件（更高 $R_{D S (o n)}$ ）

7. 参考文献

Cordell, B. (2019). Designing Audio Power Amplifiers (2nd ed.). Routledge.
Jiang, X. (2017). Fundamentals of audio Class D amplifier design. IEEE SSC Magazine, 9(3), 14–25.
Gaalaas, E. (2006). Class D audio amplifiers: What, why, and how. Analog Dialogue, 40(6).
Zorpette, G. (2010). Class-D audio: The power and the glory. IEEE Spectrum.
Texas Instruments. (2019). Benefits of Class-G and Class-H boost in audio amplifiers. SLAA888.

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关系图谱

Class-D放大器概述与历史

1. Class-D 基本原理

1.1 开关功率级

1.2 效率定义

1.3 PWM 调制原理

1.4 死区时间（Deadtime）

1.5 静态功耗（Quiescent Power）

2. 与其他放大器类别对比

2.1 各类别概览

2.2 Class-G 与 Class-H

3. 功率半导体器件演进

3.1 真空管时代

3.2 双极晶体管（BJT）

3.3 MOSFET（1980s末 — 范式转换）

3.4 宽禁带器件 WBG（GaN / SiC）

4. Class-D 放大器历史时间线

5. 参考设计系统架构

5.1 参考设计规格

5.2 信号流（12页原理图）

5.3 单声道/立体声命名约定

6. Class-D 设计关键参数体系

6.1 设计参数相互制约

7. 参考文献

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