消费电子产品、专业高保真设备、可穿戴设备和车载信息娱乐系统的迅速普及，推动了对高效音频放大器的需求增长。多年来，A类和AB类放大器(均属于线性放大)因其合理的失真水平和易于设计的优点而被广泛使用。线性放大器的缺点在于效率低、功耗高，这反过来又导致功率密度降低，并需要更复杂的散热方案。

正如电源已演变为开关拓扑结构一样，放大器也遵循了相同的路径，D类放大器已成为音频放大的主流方案。D类放大器基于快速开关晶体管和脉宽调制(PWM)驱动技术。

放大器工作类别回顾

放大器的工作类别基本上由导通角(晶体管在一个完整周期内导通的时间比例)和有源半导体元件的工作模式来表征。在A类、B类和AB类放大器中，放大是通过使功率晶体管工作在其输出特性的线性区来实现的，这样小的输入信号摆幅就能控制直流电压源提供的更大电流。虽然这些拓扑结构实现了低失真，但其效率却因过大的功耗而受限。

在D类放大器中，功率晶体管被快速开关，音频信号通过PWM或其他调制系统转换为中间脉冲波形。如图1所示，在PWM技术中，音频信号和一个高频三角载波被发送到比较器的输入端，比较器的输出是一个矩形波，其占空比受音频信号幅度调制。其他调制系统包括脉冲密度调制和脉冲频率调制。

图1

D类放大器中的功率晶体管

传统上，硅功率mosfet一直被用作D类拓扑中的开关元件。然而，寄生电容、体二极管的反向恢复以及高频下较高的开关损耗已成为限制因素。

一个重要的考虑因素是体二极管恢复时间，它会在开关波形中增加振铃和过冲。由此导致的音质下降和损耗增加，再加上MOSFET的输出电容(COSS)，要求更慢的关断速度以限制电磁干扰(EMI)。

GaN技术使得开发具有更低栅极电荷和寄生电容的高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)成为可能，从而实现更高的开关速度和更优异的效率性能。

D类音频放大器市场

根据一些估计[1]，2025年D类音频放大器市场接近37.3亿美元，预计到2036年将达到103亿美元，同期复合年增长率约为9.7%。市场估值包括功率晶体管、驱动器、反馈控制电路和输出滤波器的价值。

家庭音频是最大的细分市场，其增长受到智能家居、无线音频和影院式娱乐需求增长的推动。增长第二快的领域是汽车信息娱乐系统，因为车辆正在集成更多音频技术，并配备多扬声器环绕声系统和降噪设备等高级功能。

车载应用优先考虑抗振性、紧凑性和由于空间有限而需要的高效热管理，而家庭音频组件的设计则侧重于增强的声音保真度、可扩展性以及与智能家居生态系统的全面连接。

设计考量

音频系统设计人员面临取决于功率水平的不同设计约束。

在功耗为几十瓦的移动设备中，主要目标是最大化电池寿命，尤其是在待机模式下。在每通道100至200瓦功率范围内工作的系统中，首要考虑因素是成本和热管理。在这个功率水平上，为了更好散热，分立方案相对于单片IC方案变得至关重要。

当功率接近每通道500瓦时，强制风冷变得必要，同时需要更大的散热器来管理200V硅MOSFET产生的更高损耗。这些器件众所周知地表现出高栅极电荷、慢速开关性能、长体二极管反向恢复时间和高恢复电荷。

漏源电压必须高于峰值输出电压，对于正弦波形，用功率表示为：P = Vpk²/(2RL)。

为了可靠运行，经验法则是：对于半桥，额定电压设为2*Vpk;对于全桥，设为Vpk加上一定裕量。

峰值电流通过Ipk = Vpk/RL 定义了导通电阻值，但开关损耗在很大程度上取决于栅极电荷、输出电容和反向恢复。

此外，在额定电压超过100V的硅MOSFET中，导通电阻乘以芯片面积与击穿电压的2.5次方成正比。这意味着导通电阻越低，芯片面积越大。

根据经验，半桥拓扑分别可使用100V和150V GaN FET处理100W/8Ω和450W/4Ω的功率。相比之下，全桥架构和200V开关用于3000W/4Ω的放大器。

D类放大器的基本工作原理

在D类放大器中，模拟输入波形被转换为高频PWM信号，经过放大，然后通过低通滤波器重建。为了实现高保真音频，设计人员必须在20Hz至20kHz频谱内最大化输出功率，同时最小化总谐波失真加噪声。

此外，必须在空载和满载条件下减少热损耗。在满载情况下，热损耗主要来自导通损耗，可用I²R建模，以及由滤波器饱和加剧的磁损耗。

随着通道数量增加和功率水平提高，这些限制变得更加严格，需要更紧凑的布局、低电感回路和有效的冷却。GaN HEMT通过支持接近1MHz的开关频率来满足这些要求。这允许使用更小的输出电感并获得更好的线性度。此外，与MOSFET相比，GaN可将开关损耗降低高达10倍。

MOSFET与GaN的比较

为了量化GaN解决方案在半桥拓扑中的优势，我们可以将200V eGaN FET EPC2215和EPC2307与相同额定电压、最大24 mΩ的MOSFET进行比较。GaN产品表现出明显更小的Qg、更低的输出电容电荷和零Qrr，而封装尺寸却小10倍。

最坏情况下的峰值正弦损耗(对应于20ms持续时间内2100W的输出功率)每个开关从90W降低到13W。具体而言，导通损耗和开关损耗分别下降了77%和73%。值得注意的是，在MOSFET情况下达到40W的二极管恢复损耗降为零。

对于3dB的波峰因数(定义为峰值幅度与均方根幅度之比，即20Log10(Vpk/Vrms))，当输出功率为625W时，开关损耗从25W降至5.5W。在更现实的12dB波峰因数情况下，在相同输出功率和25%占空比下，损耗从8.5W降至3W。最后，在12.5%占空比以限制温升的情况下，功耗从6W降至2.5W，而GaN HEMT的空载损耗仅为0.1W，硅MOSFET则为0.8W。

EPC9192演示板

该开发板设计用于每通道700W/4Ω负载或370W/8Ω负载。它使用±85V偏置电压工作，效率超过96%。该演示板采用4层2盎司铜箔制成，元件安装在顶层。

为了提升性能，布局通过每个FET使用48个盘中通孔来最小化寄生效应，实现了与电源平面(均匀分配大电流的宽铜片)的最佳电学和热学耦合。

通过自然对流进行无散热器冷却，可处理125W/8Ω或250W/4Ω的功率，FET工作温度为78°C，PCB为66°C。使用散热器和强制通风，放大器可处理700W/4Ω的功率，FET和PCB的工作温度分别为71°C和61°C。

频率响应、音频保真度、失真和开关纯净度

频率响应基本平坦(20Hz至20kHz范围内±0.5dB)，与扬声器阻抗无关，这得益于极低的输出阻抗，在1kHz时低至8mΩ至25mΩ。

本底噪声几乎不可闻(38µV A计权——一种模拟人耳响应的特殊滤波器)，信噪比在±85V电源轨下超过122dB，从而产生干净的音频信号。

快速傅里叶变换分析证实，在1W/4Ω负载/1kHz条件下，THD约为0.3%，而在5W/4Ω负载、18/19kHz测试音下，CCIF互调失真保持在0.04%以下。

与测量单音如何扩展到多个频谱分量的THD不同，IMD揭示了两个或多个音符如何混合并产生原始信号中不存在的额外频率。

最后，在重负载下，开关节点的波形显示出干净的边沿，证明了设计的稳定性和易于调谐。