Class-D集成电路方案

Class-D放大器的IC集成度持续提升，从分立元件到控制器+外部MOSFET，再到集成功率开关的全集成方案。本章概述主要IC厂商的产品线、选型要素，以及功率器件（GaN/SiC）、栅极驱动器、比较器、运放、电感磁芯、电容等元件和材料的最新进展。

23.1 Class-D IC集成的演进

集成度演进路径：

分立搭建：运放+比较器+分立晶体管逻辑+独立MOSFET
专用IC出现：适合Class-D的运放/比较器 → 专用栅极驱动器IC（~1991年IR推出首款半桥驱动器）
控制器集成：栅极驱动器 + 误差放大器 + 比较器 + 保护电路 → 仍需外部MOSFET和LC
功率级集成：功率开关集成到IC → 仅需IC + LC + 少量RC
多级/全数字：多级开关拓扑、LC后数字反馈

正反馈效应：集成 → 设计简化 → 采用增加 → 市场增长 → 更多投资 → 更高集成度。

23.2 IC选型18要素

#	评估项目
1	扬声器阻抗范围、功率级别、最大THD+N
2	最大工作电源轨电压 → 决定最大输出功率
3	输入类型：单端模拟/差分模拟/数字（格式）
4	封装内放大器数量和拓扑
5	固定频率 vs 变频，开关频率范围
6	外部时钟同步能力
7	功率级拓扑：半桥/全桥BTL/并联PBTL
8	无滤波器（filterless）工作能力
9	PBTL能力，预滤波/后滤波
10	反馈方式：无/LC前/LC后/外部可加
11	保护类型及响应（OCP/OTP/DC输出/削波）
12	静态功耗
13	工作效率
14	音频性能：THD+N、频率响应、SNR
15	使能/禁用/静音功能
16	EMI抑制特性（扩频等）
17	封装类型和散热方式
18	DSP等特殊信号处理

23.3 主要IC厂商概览

23.3.1 Texas Instruments (TI)

最广泛的Class-D产品线（极低功率到高功率）
大多数固定频率（可选）+ LC前反馈闭环
提供后滤波反馈（PFFB）应用指南
模拟/数字/PWM输入
拓扑：SE、BTL（AD/BD/ternary）、PBTL（预滤波/后滤波）
Boosted Class-D：Class-G（单步升压）和Class-H（多步包络跟踪）
代表产品：TPA3255（315W立体声/600W单声道）

23.3.2 Infineon

收购International Rectifier → 丰富产品线
控制器IC（驱动外部MOSFET）+ 集成功率开关IC
高压能力（高达±200V）→ 极高功率设计
MERUS多级开关：
- 每半桥4个晶体管（vs常规2个）
- 半桥3级PWM / 全桥5级PWM
- 有效开关频率倍增 → 反馈BW增加
- 低静态电流，低EMI
- ≤20W可无LC滤波器
- 四阶内部反馈环路

23.3.3 Analog Devices（含Maxim）

差分模拟输入/数字输入
165mW~39W，供电最高40V
特性：外部时钟同步、低静态电流、扩频、Boosted Class-D、DSM

23.3.4 Monolithic Power Systems (MPS)（含Axign）

模拟/PWM输入，2.7~90W
全数字Class-D：LC后数字反馈（低延迟ADC）
TDM/I2S数字控制器和处理器
半桥/全桥功率级

23.3.5 NXP

7~250W，I2C控制，AD/BD调制可选
负载诊断和故障状态I2C回读

23.3.6 ST Microelectronics

2W~2×160W，外部可同步，滤波/无滤波可配
差分模拟输入 + 数字PWM功率级

23.3.7 Cirrus Logic

5.3W/6.8W集成DSP的Class-D
I2S/TDM输入，Class-H包络跟踪

23.3.8 ICEpower

芯片组 + 模块（交钥匙）方案
功率范围至4kW（供电轨高达220V）
可选含ACDC电源的完整模块

23.3.9 Class-D模块

完全集成的交钥匙方案：输入电路+调制器+功率级+LC滤波器+连接器+散热。代表厂商：ICEpower、Hypex、Pascal、Purifi Audio。

23.4 功率开关器件进展

23.4.1 硅MOSFET改进

FOM改善： $R_{D SON} \times Q_{G}$ 乘积持续降低
增强体二极管：更短 $t_{RR}$ 、更低 $Q_{RR}$ 、更软恢复
封装进步：顶/底散热SMD、低封装电感
更高 $d v / d t$ 承受能力
更低 $C_{OSS}$ → 高频低损耗

23.4.2 GaN（氮化镓）

最大优势：无p-n体二极管

第三象限工作（Source→Drain反向导电），无需体二极管
开关波形极为干净（无体二极管反向恢复噪声）
死区时间 $V_{S D}$ 较高（2~~3V vs Si的~~1.2V）→ 开环失真增加
缓解：最小化死区时间 / 并联Schottky二极管（增加布局复杂度）

栅极电压限制：

工作范围0~+5V，绝对最大6~7V（vs Si的±20V）
需精确栅极电压控制
部分厂商集成栅极驱动器到GaN开关

可用VDS额定值：100V和650V为主，中间范围选择有限。

23.4.3 SiC（碳化硅）

有体二极管但为Schottky型 → 理论零反向恢复（实际极小）
目前主攻>1kW、650V/1200V市场（EV、太阳能逆变器）
大尺寸通孔封装不适合紧凑Class-D设计
短期GaN在Class-D领域领先于SiC

23.5 GaN优化栅极驱动器

关键要求：

≥2MHz工作频率
极高精度可调死区时间
精确栅极驱动电压/Vcc限制
自举电路过压防护：
- GaN第三象限 $V_{S D}$ 较高 → 死区时开关节点过冲 → 自举电容过充
- 方案：高速开关仅在低管ON时连接自举二极管（如TI LMG1210）
更低UVLO阈值（适配GaN低栅压）
极低传播延迟和上下管延迟匹配
高 $d v / d t$ 额定值和CMTI（共模瞬态免疫）

23.6 比较器进展

PWM比较器需求：

极高开关速度 + 低传播延迟
更宽共模输入范围 → 支持更大幅值三角波 → 降低噪声底
双极性输入（地参考正负摆幅）+ 高速单极性输出
现有最佳高速比较器：±5~±6V供电，轨到轨输入

23.7 运放进展

Class-D运放关键规格：

低噪声 + 宽带宽（15~100MHz）
宽共模输入范围、输入过驱保护
输出相位反转保护、轨到轨输出
低静态电流（维持高效率）

23.8 电流传感器

宽BW + 最小传播延迟
双向电流高精度
霍尔效应传感器：提供隔离、无电阻分流损耗 → 提高效率

23.9 电感磁芯材料

材料	优势	劣势
铁氧体	最低磁芯损耗	锐饱和，OCP要求高
分布式气隙	平滑饱和特性，过流容忍度高	磁芯损耗较高

新进展：更低损耗分布式气隙材料、优化高频铁氧体、新磁芯形状（通孔+SMD）、扁线/Litz线技术。

23.10 电容技术

MLCC趋势：更小封装更大容量、反向几何（低ESL）
聚合物电解电容：替代钽电容，更低ESR、更高纹波电流
热门电介质：X7R、X5R、C0G/NP0（高稳定性场景）

23.11 PCB与热管理

趋势：PCB作为散热器（低中功率）
宽铜面积 + 热过孔 + 多层铜
金属基板PCB（优秀散热但成本高）
导热间隙垫（Gap Pad）：可变形、导热、电绝缘 → 从器件顶面和PCB铜面向机壳导热

参考文献

Bryson, S. (2019). Benefits of Class-G and Class-H boost in audio amplifiers. TI ALAA888.
Cirrus Logic. (2018). CS35L41 Audio product bulletin.
Clifton, R. (2018). Pre-filter parallel bridge-tied load (PBTL). TI SLAA822.
ICEpower. (2022). Datasheet 2000ASHV, V1.1.
Infineon. (2019). MERUS multilevel class D audio amplifier. White paper.
Kisling, D., & Beardsworth, M. (2018). TPA324x/TPA325x Post-filter feedback. TI SLAA788A.
ROHM Semiconductor. (2017). SiC power devices: Understanding & application examples.
Sun, B. (2019). Does GaN have a body diode? TI SNOAA36.
Texas Instruments. (2016). TPA3255 Datasheet, SLASEA8A.
Texas Instruments. (2019). LMG1210 Datasheet, SNOSD12D.

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