如何构建D类功率放大器

学习如何建立你自己的 d 类功率放大器---------听音乐的最有效的方法之一
这个强大的 d 类放大器——自己造一个，它的效率令人惊讶。散热器几乎不会变暖！
你是否一直想要建立自己的音频功率放大器？一个电子项目，你不仅可以看到结果，还可以听到结果？
如果你的答案是肯定的，那么你应该继续阅读这篇关于如何建立自己的 d 类放大器的文章。我将向你解释它们是如何工作的，然后指导你一步一步地让奇迹自己发生。
理论基础
什么是 d 级音频功率放大器？答案可能只是一句话: 这是一个开关放大器。但是为了完全理解一个人是如何工作的，我需要教你所有的角落和缝隙。
让我们从第一句开始。传统的放大器，如 AB 类，作为线性器件工作。相比之下，开关放大器之所以被称为开关放大器，是因为功率晶体管(mosfet)就像开关一样工作，把它们的状态从关变为开。这使得效率非常高，高达80-95% 。正因为如此，放大器不会产生大量的热量，也不需要像线性 AB 类放大器那样的大散热器。相比之下，b 类放大器在理论上只能达到78.5% 的最大效率。
下面你可以看到一个基本的 PWM D级放大器的框图，就像我们正在建立的一个。



使用比较器将输入信号转换成脉冲宽度调制的矩形信号。这基本上意味着输入被编码成矩形脉冲的占空比。矩形信号被放大，然后低通滤波器产生原始模拟信号的高功率版本。
还有其他方法将信号转换成脉冲，如 δσ (delta-sigma)调制，但对于这个项目，我们将使用 PWM。
使用比较脉冲宽度调变
在下面的图中，你可以看到我们如何将一个正弦信号(输入信号)转换成一个矩形信号，并将其与一个三角形信号进行比较。


在正弦波的正向峰值处，矩形脉冲占空比为100% ，而在负向峰值处占空比为0% 。三角形信号的实际频率要高得多，大约几百千赫，这样我们以后就可以提取出原始信号。
一个真正的滤波器，不是理想的滤波器，没有一个完美的“砖墙”过渡带通到阻带，所以我们希望三角形信号的频率至少比20khz 高10倍，这是人类听觉的上限。
权力阶段ーー理论上一切听起来都不错
理论是一个方面，实践是另一个方面。如果我们想把前面的框图付诸实践，我们会偶然发现一些问题。
两个问题是升降时间的设备在权力阶段和事实上，我们正在使用 NMOS 晶体管作为高侧驱动器。



因为 mosfet 的开关不是瞬间完成的，而更像是上下山坡，晶体管的 ON 时间会重叠，在正负电源导轨之间形成低阻抗连接。这导致一个高电流脉冲通过我们的 mosfet，这可能导致失败。
为了防止这种情况，我们需要在驱动高低端 mosfet 的信号之间插入一些死时间。实现这一点的一个方法是使用一个专门的国际整流器(英飞凌) MOSFET 驱动器，如 IR2110S 或 IR2011S。此外，这些集成威廉希尔官方网站 提供了高端 NMOS 所需的增强型栅电压。


低通滤波器
对于过滤阶段，最好的方法之一就是使用巴特沃斯滤波器。



这些类型的滤波器在通带中有一个非常平坦的响应。这意味着我们希望实现的信号不会被削弱太多。
我们想要过滤高于20千赫兹的频率。截止频率计算在 -3分贝，所以我们希望它是一个有点高，以便不过滤声音，我们想听到。最好选择40到60千赫之间的速度。品质因数


这些是用来计算电感器和电容器的数值的公式:




建立你的 DIY 放大器
现在我们知道了 D级放大器的工作原理，让我们来构建一个。
首先，我把这个放大器命名为 ***，因为它的散热器仅仅只是刚刚变暖，而 AB 类放大器的散热器如果不主动冷却就会变得很热。
下面你可以看到我设计的放大器的原理图。它是基于 iraudamp1参考设计的国际整流器(英飞凌)。其主要区别在于，我们采用的不是 δσ 调制，而是 PWM 调制。
现在我们知道了 D级放大器的工作原理，让我们来构建一个。
首先，我把这个放大器命名为 Luke-The-Warm，因为它的散热器仅仅只是刚刚变暖，而 AB 类放大器的散热器如果不主动冷却就会变得很热。
下面你可以看到我设计的放大器的原理图。它是基于 iraudamp1参考设计的国际整流器(英飞凌)。其主要区别在于，我们采用的不是 δσ 调制，而是 PWM 调制。


现在我将告诉您一些设计选择以及组件之间是如何工作的。让我们从左边开始。
输入威廉希尔官方网站
对于输入威廉希尔官方网站 ，我决定最好使用高通滤波器滤波器和低通滤波器。就是这么简单。


三角形生成器
对于三角形发生器，我使用了 LMC555，它是著名的555芯片的 CMOS 变体。电容器的充电和放电产生了一个很好的三角形，这个三角形并不是完美的(它是指数增长和下降的) ，但是如果增长和下降的时间相等，它就能完美的工作。
电阻器和电容器的频率设置为大约200千赫。任何高于这一点，我们会遇到麻烦，因为比较器和 MOSFET 驱动器不是最快的设备。


比较器
对于比较器，你可以使用任何你想要的组件ーー它只需要很快。我使用了现有的 LM393AP。在300ns 的响应时间，它不是最快的，并且肯定可以改进，但是它做的工作。如果你想使用其他集成威廉希尔官方网站 ，只是要小心检查引脚匹配，否则你将不得不修改 PCB 设计。
理论上，运算放大器可以用作比较器，但实际上运算放大器是为其他类型的工作而设计的，所以一定要使用实际的比较器。
因为我们需要比较器的两个输出，一个用于高端驱动程序，另一个用于低端驱动程序，所以我决定使用 LM393AP。这是一个程序包中的两个比较器，我们只需将输入交换为第二个比较器。另一种方法是使用具有两个输出的比较器，例如 Linear Technology 的 LT1016。这些设备可能会提供某种程度的性能改进，但是它们也可能更加昂贵。
这些比较器由一个5v 双极电源供电，由两个稳压二极管提供，调节来自主电源的电压，为 ± 30V。


MOSFET 驱动器
对于 MOSFET 驱动程序，我选择使用 IR2110。另一种选择是 IR2011，它用于参考设计。这个集成威廉希尔官方网站 确保增加了我在前面部分中提到的死时间。
由于集成威廉希尔官方网站 的 VSS 引脚与负电源相连，所以需要将比较器的信号电平化。这是用 PNP 晶体管和1n4148二极管完成的。
为了驱动 mosfet，我们以负电源电压参考的12v 为 ir2110供电; 这个电压是使用 bd241与12v 稳压器一起产生的。高端 MOSFET 需要由比开关节点高12v 的栅极电压驱动，vs 这就需要一个高于正电源的电压; ir2110在我们的启动电容 c10的帮助下提供这个驱动电压。


过滤器
最后是过滤器。截止频率为40khz，负载电阻为4欧姆，因为我们有一个4欧姆扬声器(这里使用的值也将与8欧姆扬声器工作，但最好是根据您选择的扬声器调整滤波器)。根据这些信息，我们可以计算出电感和电容的值:


我们可以安全地降到22μh。


最接近的标准值是680nf。
构建笔记
现在你知道了所有的内部工作原理，你所要做的就是仔细阅读接下来的几行，下载下面的文件，购买所需的元件，蚀刻 PCB，然后开始组装。
低通滤波器
对于低通滤波器，你可以使用一个680nf 的电容器尽可能接近计算值，但你也可以使用一个1μf 的电容器没有任何麻烦(我设计的 PCB，这样你可以使用两个电容器并行混合和匹配)。
这些电容器必须是聚丙烯或聚酯材料的ーー一般来说，使用带有音频信号的陶瓷电容器并不是一个好主意。而且你需要确保你用来过滤的电容器是额定的高电压，至少100vac (更多不会伤害)。其余的电容器在设计中也需要有一个大致的额定电压。
我设计这个放大器的输出功率约100-150w。你应该使用带有 ± 30V 导轨的双极电源。你可以比这个更高，但是对于 ± 40V 的电压，你需要确保你把电阻 r4和 r5的值改为2k2。
这是不必要的，但强烈建议您使用的 BD241C 散热器，因为它变得相当热。
场效应晶体管
至于功率 mosfet，我建议使用 IRF540N 或 IRFB41N15D。这些 mosfet 具有更快的开关和更低的功耗 RDS (on)的低栅电荷。您还需要确保 MOSFET 具有足够的最大 VDS (漏源极电压)额定值。你可以使用 IRF640N，但是 RDS (打开)明显更高，导致效率更低的放大器。下面是一个比较这三种 mosfet 的表格:

MOSFET	Max VDS (V)	ID (A)	Qg (nC) Qg	RDS(on) (Ω)
IRFB41N15D	150	41	72	0.045
IRF540N	100	33	71	0.044
IRF640N	200	18	67	0.15

电感器
现在是电感器。你可以买一个已经做好的，但我建议你自己上发条ーー这毕竟是一个 DIY 项目。
买一个 t106-2环形。它需要铁粉，铁氧体可以工作，但它将需要一个间隙，否则它将饱和。使用该环形线圈，可绕制直径0.8-1毫米(AWG20-18)铜漆包线40圈。就是这样。如果它不完美也不要担心ーー只要把它绑紧就行了。
电阻器
最后，所有的电阻器，除非注明(R4，R5) ，是1/4W。
测试
当我设计 PCB 的时候，我使它非常容易测试。输入信号有自己的连接器，并且有两个铲形接地端子: 一个用于电源，一个用于扬声器。
为了消除嗡嗡声噪音(50/60赫兹，从主频率) ，我使用了星地配置; 这意味着连接所有接地(放大器地面，信号地面，扬声器地面)在同一点，最好是在电源 PCB，在整流威廉希尔官方网站 之后。
完整的材料清单可以在下面的文件中找到，在那里你也可以找到 PCB 文件的 PDF 格式和 KiCAD 文件。
Goodies.zip

最后的想法
我希望这篇文章中的信息足以让你构建自己的音频功率放大器。我希望它也能让你对建立自己的放大器感到兴奋。


在这个项目中有许多事情可以改进。你有所有必要的信息和文件，但是你不需要严格遵守它们。
你可以使用 SMD 元件，通过使用互补输出来改进比较器威廉希尔官方网站 ，或者用 IR2011S 代替 IR2110。只要打开电烙铁，蚀刻你的 PCB，然后开始工作。如果第一次尝试不成功也没关系。
这完全是反复试验和犯错。当你最终听到那清脆的声音来自你的扬声器，这一切都是值得的。
如果你的构建有任何问题，请在这里发表评论或在william hill官网 上发表尽可能多的信息。我们会解决的。

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