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D類音頻功率放大器最大的特色是高效率，高效率的優點是省電及降低發熱量。如果功放的效率是90%而芯片的封裝可以散熱1W，則這個功放可以輸出大約10W的功率，這対系統設計提供極大的方便。 D類功率放大器的效率可以由不同角度來看。高效率主要原因來自輸出功率晶體管低的導通電阻Rds(on)，如果導通電阻為0.4歐姆而喇叭阻抗是4歐姆那輸出晶體管的效率等于91%但是功放還有其它消耗，這包括模擬電路的消耗，模擬與數字的混合電路消耗及數字電路的消耗。這些消耗表現在無載靜態電流Iq。如果電源電壓5V而Iq是5mA, 則靜態消耗功率是25mW。 所以計算功放的效率需要同時考慮靜態消耗與輸出晶體管的消耗兩個因素。 如果加上負載而輸出25mW的功率且輸出功率晶體管的效率是90%則功率晶體管的消耗大約2.5mW。所以輸出25mW的狀況下總消耗功率包括靜態消耗，功率晶體管消耗及輸出功率，亦即 25mW + 25mW + 2.5mW = 52.5mW，此刻的效率就是 25mW/52.5mW = 48%。 以同樣的方式計算如果輸出250mW則總消耗功率是 25mW+ 250mW + 25mW = 300mW，此刻的效率是 250mW/300mW=83%。 同樣的如果輸出2.5W則總消耗功率是 25mW+ 2.5W + 250mW =2.775W，此刻的效率是 2.5W /2.775W= 90%，接近輸出功率晶體管的效率。 所以輸出功率小的時候輸出晶體管的消耗可以忽略而輸出功率大的時候靜態消耗可以忽略。 如果負載等于4歐姆效率高于90%的輸出晶體管其導通電阻只有0.4歐姆或更小，如果是BTL的雙端輸出，Rds(on)是由一個PMOS及一個NMOS造成，每個MOS大約只有0.2歐姆的導通電阻所以容易造成量測誤差。量測的時候大電流路徑要選用粗線同時要焊接以降低接線電阻。抽取大電流時要維持電源電壓的穩定。由于輸出功率晶體管導通電阻的量測容易產生誤差且其阻值與量測條件例如電流量或電壓有關，最好觀查輸出功率晶體管效率的方法是查看效率曲線的大輸出功率端的效率，這一點的效率非常接近輸出功率晶體管效率，但要注意的是此曲線必須是在使用電阻負載的條件下取得。 如果Pi代表電源輸入功率，Pq代表靜態消耗功率，Po代表輸出功率，Emos代表輸出功率晶體管的效率而Eff代表總效率，則其相互關系為 Po = ( Pi - Pq ) x Emos 及 Eff = Po/Pi 合并上述公式, 則總效率 Eff = ( Po x Emos ) / (Po + Emos x Pq） 如果輸出功率Po與靜態消耗功率Pq的比是Poq，則 Eff = ( Poq x Emos ) / (Poq + Emos ） 這個簡單的公式可以容易觀察輸出功率與總效率的關系。 所以如果功率晶體管的效率Emos = 90% 且輸出功率Po是靜態消耗功率Pq的10倍，亦即Poq= 10， 則總效率Eff = ( 10 x 0.9 ) / ( 10 + 0.9 ) = 83%。如果功率晶體管的效率Emos同樣是90%且輸出功率Po是靜態消耗功率Pq的8倍， 則總效率Eff = ( 8 x 0.9 ) /( 8 + 0.9 ) = 81%。以上例子顯示同一個D類功放其輸出功率與靜態消耗功率的比決定了總效率，亦即靜態消耗電流対總效率有一定程度的影響。另外如果功率晶體管的效率Emos = 90%， 一個靜態消耗功率是25mW或5V電壓5mA靜態消耗電流的功率放大器只要輸出功率大于25mA x 8 = 200 mW即可以有81%的效率。但是如果靜態消耗功率是50mW或5V電壓10mA靜態消耗電流的功率放大器則輸出功率要大于50mA x 8 = 400 mW才可以有同樣的效率，所以實質效率需要考慮靜態消耗電流。以上討論并未包括輸出濾波器的消耗，電路圖如果含有輸出濾波器則輸出濾波器產生的消耗要算在靜態消耗功率。 作者：David Tai, Ph.D. 震一科技(Tai-1 Microelectronics Corp.) |
