D類音頻功放電路已經投入使用數十年了。 相對于更普遍的線性AB類拓撲而言， D類功放的效率更高，體積更小。
AB類功放中，輸出電壓等于音箱和軌電壓之差，并且隨音頻信號變換。 所以，其電量損耗就是這個電壓和輸出電流的積。
因為典型的工作效率是30%， 所以AB類輸出端通常需要有散熱器和風扇， 特別是其功率超過50W的時候。
相反，在D類功放中， 輸出設備的轉接和傳輸損耗占主導。 這些三極管(一般是工作在飽和狀態的功率MOSFETs)可以達到90%以上的工作效率。通過一個無源LC濾波器使電源級的軌至軌輸出平滑，從而復原音頻信號。
在許多便攜設備中，D類耳機功放有助于延長電池壽命和縮小設備的體積。 在高功率應用中， D類拓撲可以縮小設備的體積、重量和成本(通過顯著縮小或者取消散熱片)。
問題，解決方案
某些電路的運轉會影響D類音頻性能。其中比較顯著的有:波形轉換的上升沿和下降沿的時間、高低級橋接的延遲差別、高低級傳輸間隔中的空載時間還有轉換時間的不穩定性。
上升沿和下降沿的時間由FET驅動器的輸出電流的能力和FET的總的柵極電荷決定。空載時間產生了一個取決于信號的增益錯誤，導致了輸出信號的變形。噪聲影響了FET的轉接時間，導致信號不穩定，從而影響了總諧波失真(THD)和音響效果。
為了降低THD和噪聲，一些半導體廠商(比如:International Rectifier)提供了固體驅動器， 它能以±100V的電壓提供1A或者更高的柵極驅動電流來驅動半橋拓撲達到500W功率級，而這種設計只有8ohm的阻抗。
這些驅動器可以包含在高低級轉接器間的最大20ns的激光微調吞吐量匹配的功能。
最近， 生產廠商開發了一種驅動器， 它采用可編程修正空載時間來同時解決THD的三個來源問題:空載時間精度、延遲匹配和轉接不穩定度。對這些器件來說，激光微調不但可以修正空載時間到幾個離散的時間區段，而且從根本上消除了對延遲匹配的需求。
驅動器關掉一個FET之后，在它打開相對的轉接器之前，通過一個強制編程的空載時間最大限度地降低了轉接信號的不穩定性。 在這期間，系統排除了那些可能會影響轉接時間的噪聲信號。
空載時間的可編程性讓用戶可以設定驅動時間來滿足電路的橋FET的需求。對于給定的拓撲， 功放設計者為了盡可能地提高輸出功率， 不得不使用更大的橋FET，而這些橋FET的柵極總電荷也更大。對于給定的柵極驅動電流，功放越大需要的空載時間也就越長。
圖1:IC柵極驅動器有益于簡化D類功放設計并且其THD+N性能指標達到了最優的AB類功放
最普遍客觀的功放性能評估就是THD-plus-noise (THD+N)測量。擁有上面提到的特征的D類驅動IC配合以謹慎的layout就會得到一個優秀的THD+N指標。
這種驅動器是一個400kHz的配有一個連接轉換節點的反饋路徑的自激振蕩設計。其THD+N指標相當于或優于某些高端AB類功放得到的最好成績。
故障保護
音頻功放設計的挑戰性問題之一就是故障保護，特別是針對在系統安裝或再調試的過程中引起的輸出短路的過載(OC)條件。離散健全保護系統使用分區評分(scores of parts)，這樣可以節省板面空間但是卻會影響可靠性。如果希望它們在電路正常運行中保持聲透狀態的話，那就需要一定的附加工程量。
圖2:IC驅動器提供了可配置的過載斷電保護，低壓斷電保護和一個浮動的前端界面
通過同時在高級和低級轉接器里加入可編程過載保護，半橋驅動器可以增強保護功能，加強聲透性，并且可以降低功放設計風險和周期。
保護電路使用每個轉接器的RDS(on)作為電流感應單元。因此，只需再外加一些設計即可完成過載保護。圖3展示了過載保護的工作狀態。當過載發生時，輸出被中斷。輸出電感安全地釋放了它所存儲的能量并且輸出端電壓始終保持在0V。
UVLO(低壓斷電)是另外一個重要的保護特征。如果電源低于IC的最小工作電壓，它就無法驅動柵極，這樣就在橋FETs里產生了直通電流。
在這些條件下，驅動器的UVLO關閉兩個柵極。為了實現低壓保護，驅動器IC通過VB和VS管腳來測知高端軌的柵極驅動控制功率，對低端軌來說則是通過VCC和COM管腳。
圖3:過載斷電保護(臨界特征)順利地為濾波器電感放電與此同時保證輸出零電壓
功放設計者可以通過CSD管腳來給驅動器的錯誤響應編程。這個管腳提供5個功能:自回復定時器、斷電、鎖存保護、斷電狀態輸出和上電延遲定時器。
自回復定時器通過一個外部時間電容來設定斷電間隔，超出這個時間間隔，驅動器會重新啟動。這個功能還提供了一個上電延遲以便于在功放開始驅動音箱之前來穩定供電水平。
CSD腳可以作為一個遠程斷電信號輸入端。如果一個外部器件，例如一個開漏微控制器的I/O管腳把CSD腳拉低，那么驅動器就會關閉。一旦這個外部器件釋放了這個管腳，那么則有一個內部的電流源重新將外部的時間電容充電到之前的狀態。
故障保護鎖可以通過電阻和FET實現。它在驅動器重啟之前需要一個明確的復位信號。只要在鎖存狀態電路里加一些設計就可以為鎖存電路增加一個故障狀態信號的輸出功能。
浮動點控制
如果聲音的改善和集成的故障保護還不夠的話，今天的D類驅動器還提供了浮動點控制輸入。這個結構大幅簡化了功放和系統前端的交流。
這個IC突出了三個分離壓阱的特點;其襯底作為低端軌的COM，高端軌對應VS，浮動點輸入則對應于VSS。 控制電路可以以系統地端或者低軌為準。這個IC包含了五級移相器:三個通訊保護電路信號;兩個柵極驅動信號。圖2展示了三個分離壓阱和5級移相器。
DirectFET的應用
在任何一個高頻系統里，低layout和低器件干擾是達到高性能的基礎。 DirectFET MOSFETs沒有導線接頭并且導線電感很小。
這種DirectFET器件降低了柵極和導電電路電感。小的柵極電路電感降低了轉接延遲。比較低的源漏封裝電感相比TO-220封裝產生了更大的dV/dt而EMI更小。 DirectFET封裝提供了低熱抗和雙面冷卻的好處，這樣就簡化了熱學設計。
優化轉接器的參數可以得到最大的工作效率。供電部分的大小和成本隨著轉接頻率的提升而下降。在圖1中，一個單級雙元LC輸出濾波器給出了它在400kHz的結果。
實際應用中最好的MOSFET不一定要有最低的RDS(on)。頻率提高的時候，轉接損失成為了一個不可忽視的因素。因此，設計者一定要在總柵極電荷和RDS(on)之間找到一個最好的平衡。
圖1的結果還取決于低MOSFET封裝電感。這個120W，4OHM的設計既不需要散熱片也不需要風扇。今天，針對D類應用的MOSFETs兼容了高壓和高轉接頻率。 |
