Class-D半桥全桥功率级

功率开关级是Class-D放大器中将PWM信号转换为高功率输出的核心模块。半桥和全桥两种拓扑各有优劣，理解其详细的开关行为、死区效应和调制方式是设计高性能放大器的基础。

1. 半桥与全桥拓扑对比

1.1 基本结构

半桥：2个功率开关（上管U1 + 下管L1），开关节点VS在正轨和负轨之间切换
全桥（H桥/BTL）：4个功率开关，组成A腿和B腿，扬声器跨接在两个开关节点之间

PBTL（Parallel BTL）：将功率管并联以增大电流能力的全桥变体。

1.2 全桥七大优势

#	优势	说明
1	4倍输出功率	相同电源下扬声器承受2倍电压 → 4倍功率（如100W→400W）
2	单电源工作	无需大容值交流耦合电容
3	消除电源泵浦	正负信号峰值使用同一电源和储能电容
4	冗余过流保护	任一腿均可切断扬声器电流
5	减少启动pop	两腿同步产生启动脉冲，artifact共模抵消
6	更多调制方案	支持AD和BD调制
7	更高PSRR	电源扰动表现为共模信号（但需闭环校正增益调制效应）

1.3 全桥负载阻抗

全桥中每腿看到的负载阻抗为标称值的一半：

Z_{l e g} = \frac{Δ V _{l e g}}{Δ I _{l e g}} = \frac{80 V}{20 A} = 4Ω (对 8 Ω 扬声器)

4Ω扬声器在全桥中呈现2Ω负载，功率开关的电流能力必须据此设计。

2. 半桥功率级详细分析

2.1 空闲状态（Idle）

输入信号为0V，占空比50%，开关频率500kHz（T=2μs）。

电感电流纹波：

Δ i = \frac{V _{L} \cdot Δ t}{L} = \frac{48 V \times 1 μ s}{22 μ H} = 2.18 A

电感电流在 −1.09A 和 +1.09A 之间三角波摆动，平均值为0A。

2.2 开关节点电容与零电压开关（ZVS）

开关节点总有效电容（两个IRF6775）： $C_{t o t a l} = 2 \times 175 pF = 350 pF$

死区期间电压转换速率：

d v = \frac{i _{L} \cdot d t}{C} ⟹ d t = \frac{C \cdot d v}{i _{L}} = \frac{350 pF \times 96 V}{1.09 A} = 30.7 n s

若死区时间 > 30.8ns，开关节点将在死区内被动完成全程电压转换（+48V→−48V），下管可实现零电压开关（ZVS），理论上零开关损耗。

测量开关节点电容的方法：

C_{SN} = (\frac{1}{2 π f _{r in g}})^{2} \frac{1}{L}

其中 $f_{r in g}$ 为同时关断上下管后的振铃频率。参考设计预期 $f_{r in g} = 1.81 M Hz$ 。

2.3 满载条件下的开关行为

100W / 4Ω负载条件：

参数	值
$V_{o u t_p e ak}$	28.28V
$I_{o u t_p e ak}$	7.07A
占空比D	0.7946
上管导通时间	1.589μs
下管导通时间	0.4108μs

高电流时VS转换时间大幅缩短：

d t = \frac{350 pF \times 96 V}{7.782 A} = 4.32 n s

2.4 体二极管与反向恢复

死区期间，电感电流通过下管体二极管续流，VS被钳位至负轨以下约1.3V（@5.3A）。

反向恢复时间 $t_{rr}$ （IRF6775约62ns）期间：

上管同时承受全电源电压和最大负载电流
产生最高瞬时功耗
$t_{rr}$ 特性（软恢复 vs 快恢复）影响开关噪声和EMI

2.5 死区时间权衡

减小死区	增大死区
改善THD	改善空闲效率（ZVS）
增加MOSFET开关损耗	增加THD
可能交叉导通	减少最大有效占空比

最优死区时间需综合考虑：THD、空闲功耗、满载功耗、电压裕量、体二极管反向恢复特性。

3. 全桥调制方案

3.1 AD调制

B腿与A腿180°反相驱动（简单反相器实现）
仅使用2个状态：(0,1)和(1,0)
差分电压摆幅 = ±2V（最大）
无显著共模开关电压 → EMI优势
差分模电压始终最大 → 纹波电流较大

3.2 BD调制

使用第二个PWM比较器，音频信号反相输入
使用全部4个状态：(0,0), (0,1), (1,0), (1,1)
差分电压摆幅 = ±V（减半） → 纹波电流减半
采样频率翻倍 → 反馈环路可在更高频率闭合 → 更好的THD
但有显著共模电压 → EMI挑战

3.3 调制方案对比

特性	AD调制	BD调制
差分电压幅度	2V	V
共模电压	恒定0.5V	变化0~1V
采样频率	$f_{s w}$	$2 f_{s w}$
EMI特征	差分模为主	共模显著
纹波电流	较大	较小
环路带宽	较低	较高
所需比较器	1	2

4. PSRR深入分析

全桥拓扑的PSRR优势常被高估：

传统认知：电源扰动为共模，不影响差分输出
实际情况：电源电压调制开环增益 → 与音频信号产生互调失真（IMD）
标准PSRR测试（无信号注入）无法检测增益调制效应
解决方案：闭环负反馈校正 + 反馈元件精确匹配

5. 全桥的代价

功率开关数量翻倍（但耐压要求减半）
滤波电感数量翻倍
BD调制需额外PWM比较器
效率对比需综合评估：开关损耗（2×晶体管，½电压）vs 磁芯/铜损（2×电感）

参考文献

Ferstenberg, D. (2013). Class D audio amplifier power supply considerations.
Ge, T., Chang, J.S., & Shu, W. (2008). PSRR of Class-D amplifiers.
Texas Instruments. (2016). LC Filter Design, SLAA701A.

KnowledgeWiki

探索