如何构建自己的音频功率放大器

强大的 D 类放大器 — 自己构建一个并对其效率感到惊讶。散热器几乎没有变热！

您是否一直想构建自己的音频功率放大器？一个电子项目，您不仅可以看到结果，还可以听到它们？

如果您的回答是肯定的，那么您应该继续阅读这篇关于如何构建自己的 D 类放大器的文章。我将向你解释它们是如何工作的，然后一步一步地指导你让魔法发生在你自己身上。

理论基础

什么是 D 类音频功率放大器？答案可能只是一句话：它是一个开关放大器。但是为了完全理解一个人的工作原理，我需要教你它的所有角落和缝隙。

让我们从第一句话开始。传统放大器，如 AB 类，作为线性设备运行。将此与开关放大器进行比较，之所以如此命名，是因为功率晶体管（MOSFET）的作用类似于开关，将其状态从关闭变为开启。这允许非常高的效率，高达 80 - 95%。因此，放大器不会产生大量热量，也不需要像线性 AB 类放大器那样的大散热器。相比之下，B类放大器只能达到78.5%的最大效率（理论上）。

您可以在下面看到基本 PWM D 类放大器的框图，就像我们正在构建的那样。

使用比较器将输入信号转换为脉宽调制的矩形信号。这基本上意味着输入被编码为矩形脉冲的占空比。矩形信号被放大，然后低通滤波器产生原始模拟信号的更高功率版本。

还有其他将信号转换为脉冲的方法，例如 ΔΣ（delta-sigma）调制，但在本项目中，我们将使用 PWM。

使用比较器进行脉宽调制

在下图中，您可以看到我们如何通过将正弦信号（输入）与三角形信号进行比较，将其转换为矩形信号。

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在正弦波的正峰值处，矩形脉冲的占空比为 100%，而在负峰值处为 0%。三角信号的实际频率要高得多，大约为数百 kHz，以便我们以后可以提取原始信号。

一个真正的滤波器，不是一个理想的滤波器，没有从通带到阻带的完美“砖墙”过渡，所以我们希望三角信号的频率至少比人类听觉上限 20KHz 高 10 倍。

功率级——理论上听起来不错

理论是一方面，实践是另一方面。如果我们想将前面的框图付诸实践，我们会偶然发现一些问题。

两个问题是功率级中器件的上升和下降时间，以及我们使用 NMOS 晶体管作为高端驱动器这一事实。

因为 MOSFET 的开关不是瞬间完成的，而更像是上下山，晶体管的导通时间会重叠，从而在正负电源轨之间形成低阻抗连接。这会导致高电流脉冲通过我们的 MOSFET，从而导致故障。

为了防止这种情况，我们需要在驱动高端和低端 MOSFET 的信号之间插入一些死区时间。实现此目的的一种方法是使用 International Rectifier （Infineon） 的专用 MOSFET 驱动器，例如IR2110S或IR2011S。此外，这些 IC 提供高侧 NMOS 所需的升压栅极电压。

低通滤波器

对于滤波阶段，最好的方法之一是使用巴特沃斯滤波器。

构建您的 DIY 放大器（Luke-The-Warm）

现在我们知道了 D 类放大器的工作原理，让我们来构建一个。

首先，我将此放大器命名为 Luke-The-Warm，因为散热器几乎不会变热，与 AB 类放大器相反，如果不主动冷却，其散热器会变得非常热。

下面你可以看到我设计的放大器的示意图。它基于 International Rectifier （Infineon） 的IRAUDAMP1参考设计。主要区别在于，我的不是 ΔΣ 调制，而是使用 PWM。

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我现在将告诉您一些设计选择以及组件如何相互配合。让我们从左侧开始。

输入电路

对于输入电路，我决定最好先使用高通滤波器，然后使用低通滤波器。就是这么简单。

三角发生器

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会产生一个漂亮的三角形，它并不完美（它呈指数上升和下降），但如果上升和下降时间相等，它就可以完美地工作。

电阻器和电容器的值设置了大约 200kHz 的频率。高于此值，我们就会遇到麻烦，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——它只需要快。我使用了可用的LM393AP。在 300ns 的响应时间上，它不是最快的，肯定可以改进，但它确实可以完成工作。如果您想使用其他 IC，请注意检查引脚是否匹配，否则您将不得不修改 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，因此请确保使用实际的比较器。

因为我们需要比较器的两个输出，一个用于高端驱动器，一个用于低端驱动器，所以我决定使用 LM393AP。这是一个封装中的两个比较器，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，例如凌力尔特公司的 LT1016。这些设备可能会提供一些改进的性能，但它们也可能更昂贵。

这些比较器由 5V 双极电源供电，由两个稳压二极管提供，用于调节来自主电源的电压，即 ±30V。

MOSFET驱动器

对于 MOSFET 驱动器，我选择使用 IR2110。另一种选择是 IR2011，它用于参考设计。该集成电路确保添加了我在上一节中谈到的死区时间。

由于 IC 的 VSS 引脚连接到负电源，我们需要对来自比较器的信号进行电平转换。这是使用 PNP 晶体管和 1N4148 二极管完成的。

为了驱动 MOSFET，我们以 12V 参考负电源电压为 IR2110 供电；该电压是使用 BD241 和 12V 齐纳二极管产生的。高侧 MOSFET 需要由高于开关节点 VS 约 12V 的栅极电压驱动。这需要高于正电源的电压；IR2110 在我们的自举电容器 C10 的帮助下提供此驱动电压。

构建注意事项

现在您已经了解了内部工作原理，您所要做的就是仔细阅读接下来的几行，下载下面的文件，购买所需的组件，蚀刻 PCB，然后开始组装。

低通滤波器

对于低通滤波器，您可以使用 680nF 的电容以尽可能接近计算值，但您也可以使用 1µF 的电容，没有任何问题（我设计 PCB 时可以使用两个电容并联连连看）。

这些电容器必须是聚丙烯或聚酯——一般来说，将陶瓷电容器用于音频信号并不是一个好主意。并且您需要确保用于过滤的电容器额定为高压，至少 100VAC（更多不会造成伤害）。设计中的其余电容器也需要具有适当的额定电压。

我设计这款放大器的输出功率约为 100-150W。您应该使用具有 ±30V 电压轨的双极电源。您可以高于此值，但对于大约 ±40V 的电压，您需要确保将电阻器 R4 和 R5 的值更改为 2K2。

没有必要，但强烈建议您为BD241C使用散热器，因为它会变得非常热。

电感器

现在是电感。你可以买一个已经做好的，但我建议你自己上弦——这毕竟是一个 DIY 项目。

购买 T106-2 环形线圈。必须是铁粉；铁氧体可以工作，但它需要一个间隙，否则它会饱和。使用上述环形线圈，缠绕40匝直径为0.8-1mm（AWG20-18）的铜漆包线 。就是这样。如果它不完美，请不要担心——只要把它弄紧。

电阻器

最后，除非注明（R4、R5），否则所有电阻均为 1/4W。

测试

当我设计 PCB 时，我做了它以便非常容易测试。输入信号有自己的连接器，有两个用于接地的铲形端子：一个用于电源，一个用于扬声器。

为了消除嗡嗡声（50/60 Hz，来自电源频率），我使用了星地配置；这意味着将所有接地（放大器接地、信号接地和扬声器接地）连接在同一点，最好是在整流器电路之后的电源 PCB 上。

完整的物料清单可以在下面的文件中找到，您还可以在其中找到 PDF 格式和 KiCAD 文件的 PCB 文件。