如我们所知，D类放大器是一种开关型放大器，它分别由一个脉冲宽度调制器(PWM)，一个功率桥电路和一个低通滤波器组成，如图1所示。为了实现放大器的最佳性能，必须对功率桥中的开关进行优化，使得功率损耗、延迟时间、电压和电流毛刺都保持最小。因此，在这类放大器设计中，需要采用的开关应该具有低压降、高速的开关时间以及很低寄生电感。虽然这种开关有多种选择，但已证明MOSFET是用于这类放大器的最好开关，原因在于其开关速度。由于它是多数载流子器件，与IGBT或BJT这类器件相比，其开关时间比较快。但是要使D类放大器实现最好性能，所选的MOSFET必须能够提供最低的功、最小的延迟和瞬态开关毛刺。
于是，所选的MOSFET参数必须最优。关键的参数包括包括漏源击穿电压BVDSS，静态漏源通态电阻RDS(on)，栅极电荷Qg，体二极管反向恢复电荷Qrr，内部栅极电阻RG(int)，最大结温TJ(max)，以及封装参数。这些参数的适当选择将会实现最低的功耗，改进放大器的效率，实现低失真和更好的EMI性能，以及减小尺寸和/或成本。
选择MOSFET参数
不过，在动手前，重要的是要理解一些基本指标，如放大器输出功率，负载阻抗(如100W功率输出到8Ω阻抗上)，功率桥接电路拓扑架构(全桥还是半桥)，以及调制度(80%-90%)。
考虑上述这些因素，第一步是要确定放大器的工作电压。因此这将决定MOSFET的额定电压。不过，当选择该额定电压时，还必须考虑其他一些因素，如MOSFET的开关峰值电压以及电源的波动等。如果忽略这一点，将会导致放大器的雪崩条件，从而将影响放大器的性能。于是，针对所期望的放大器输出功率和负载阻抗，功率桥电路拓扑结构，调制度，还要考虑到一个与电路相关的附加因子(通常为10-50%)，最后可以通过方程1和方程2计算出最小的BVDSS。
且
这里，POUT为输出功率，而RLOAD为负载阻抗，M为调制度。
于是，利用方程1和方程2，得出表1。该表中给出了各种D类放大器所需的最小MOSFET额定电压。
表1：用于不同D类放大器结构的MOSFET额定电压。
由于BVDSS与MOSFET通态电阻RDS(on)有关,选择一个尽可能最低的BVDSS是很重要的，因为高的BVDSS将导致高的RDS(on)，从而MOSFET的功耗将更高。
如今我们已经知道MOSFET的总功耗将决定放大器的效率。这些功耗是MOSFET的传导损耗，开关功耗以及栅极电荷损耗的总和。而且，MOSFET的结温TJ和散热片的大小取决于总功耗。因此，高功耗将导致结温增加，从而增加散热器的尺寸。
由于MOSFET的传导损耗直接与RDS(on)有关，对于标准的栅控MOSFET，通常该参数都将在数据页中给出，条件是25°C和VGS=10V。放大器工作期间，RDS(on)和漏电流决定了MOSFET的传导损耗，并可以容易地通过方程3计算出来。
由于RDS(on)与温度有关，在热设计中必须注意，以避免热量溢出。此外，所有工作条件下，结温TJ(max)都不能超过数据页中的规定值。因此，计算MOSFET的传导损耗时，必须采用TJ(max)和最大I D RMS 电流条件下的RDS(on)。从图2中可看到，较低的RDS(on)将导致较低的MOSFET传导损耗，从而将得到更高的D类放大器效率。
栅极电荷Qg是另一个直接影响MOSFET开关损耗的关键参数，较低的Qg将导致更快的开关速度和更低的栅极损耗。MOSFET的开关损耗定义为：
开关损耗是MOSFET导通和关断时开关时间所引起的，可以简单地通过将开关能量Esw与放大器的PWM开关频率fsw进行相乘而获得：
开关能量Esw通过下式获得：
式中，t为开关脉冲的长度。
利用放大器参数和MOSFET的数据页，可以通过公式7求得PSWITCHING。
式中，Vbus为放大器的总线电压，tr和tf则分别是MOSFET的上升和下降时间。Coss
为MOSFET的输出电容，Qr为MOSFET的体二极管反向恢复电荷，K为系数，该系数的引入原因是考虑到MOSFET的TJ以及特定的放大器条件，如IF和dIF/dt。相类似，栅极损耗可以通过下式获得：
式中为栅极驱动器的电压。
除了像MOSFET的开关延迟时间所引起的定时误差会影响放大器的线性度，Qg也会影响放大器的线性度。然而，相对于死区时间，由MOSFET开关所引起的定时误差就显得不太重要了，故可以通过选择合适的死区时间来大幅降低该误差。实际上，MOSFETQg对放大器的效率的影响要比对线性度的影响大得多。由于可以通过优化死区时间来改善线性度，应该降低Qg，这主要是为了实现较小的开关损耗，如图3所示。
体二极管和效率
MOSFET的结构中有一个内置固有的反向体-漏二极管，该二极管呈现为反向恢复特性。该特性对放大器的效率和EMI性能都有影响。可以通过将反向恢复电荷Qrr(由温度、正向电流IF和dIF/dt所决定)保持在最小值，使反向恢复损耗降低到最小，从而把开关损耗降到最小。然而，死区在这里也起作用。实际上，死区时间的减小将使得换相电流在绝大部分时间内都留过MOSFET沟道，从而减小了体二极管电流，进而减小了少数载流子电荷和Qrr。不过，较小的死区时间将会引起冲击电流。这对功率桥MOSFET来说是一个存在风险的条件，这也将降低放大器的性能。因此，设计师必须选取一个最佳的死区时间，即能够大幅减小Qrr，同时又要能够改善放大器的效率和线性度。
此外，Qrr还与D类放大器的EMI贡献有关。高恢复电流再加上电路的杂散电感和电容，将会在MOSFET中产生很大的高频电流和电压瞬变振铃。于是，将会增加EMI辐射和传导噪声。因此，为了避免这种瞬变并改善EMI性能，采用较小的和软恢复电流是至关重要的。由于较小的软反向恢复将会改善放大器的效率并降低EMI，原因是MOSFET中的开关损耗和电流-电压瞬变振铃的降低。
在为D类放大器选择合适的MOSFET时需要考虑的另一个参数是晶体管的内部栅极电阻RG(int)，这是一个与温度变化有关的参数，随着温度的上升将增大。该参数影响MOSFET的通断开关时间。高RG(int)将会增加总的栅极电阻，减小栅极电流，从而增加开关时间。因此将增大MOSFET的开关损耗。此外，RG(int)的变化还会影响死区时间控制。
MOSFET封装
同等重要的还有MOSFET的封装，因为封装不仅对性能影响很大，而且还影响成本。像封装的尺寸、功耗容量、电流容量、内部电感和电阻、电气隔离和装配工艺等在确定电路的PCB板、散热器尺寸、装配工艺以及MOSFET的电气参数时都极为重要。类似地，封装热阻RθJC也会影响MOSFET的性能。简单地说，由于较低的RθJC将会减小MOSFET工作过程中的结温，从而将提供MOSFET的可靠性和性能。
由于电路的杂散电感和电容将影响放大器的EMI性能，内部封装电感将会对EMI噪声的产生起很大贡献。图5中对利用相同的MOSFET芯片但内部电感不同的两种封装的EMI噪声进行了比较。例如，将DirectFET MOSFET(<1nH)与TO-220(~12nH)
进行比较，发现前者具有更好的EMI性能。其噪声大约比TO-220低9dB，尽管其上升和下降时间比TO-220大约快3倍。于是，对于D类放大器的可靠性，效率，噪声性能及成本的改善来讲，封装的选择是非常重要的。
最后，最高结温TJ(max)也是非常关键的，因为它决定了散热器的大小。具有较高结温的MOSFET可以承受较高的功耗，因此，需要较小的散热器。从而减小了放大器的尺寸和成本。
数字音频MOSFET
综合考虑了上述各种参数，IR公司特别开发出了用于D类音频应用放大器的功率MOSFET，称作为数字音频MOSFET。为了改善其总的D类音频放大器的性能，设计中对尺寸和多个参数进行了专门优化。
如前所述，RDS(on)和Qg是决定MOSFET功耗的关键参数。这些参数与MOSFET的芯片尺寸密切相关，并在它们之间存在着一些折中。大的MOSFET尺寸意味着更低的RDS(on)和更高的Qg，反之亦然。因此，最佳的芯片尺寸将会实现更低的MOSFET功耗，如图6所示。进一步，数字音频MOSFET将保证能提供一个最大的RG(int)，更低的Qrr以及一个高达150°C的TJ(max)，并且能够被装配在像DirectFET这类效率最高的封装内，以便为D类音频放大器应用提供高效率、稳健性以及可靠的器件。
为了简化设计师的MOSFET的选择过程，表2中列举出了一系列为应用进行了关键参数优化的数字音频MOSFET。这些MOSFET采用了最新的工艺技术来实现最佳的参数组合。同时，DirectFET封装技术将寄生电感和电容减到最小，从而降低了EMI干扰。
表2：列举出关键参数的一系列数字音频MOSFET。
进一步，将DirectFET数字音频MOSFET(IRF6445)与合适的控制器加驱动器(IRS2092S)一道使用，就能够实现图7所示的双通道120W半桥D类音频放大器。
对上述参考设计所实测的性能显示，在1kHz处的总谐波失真加噪声(THD+N)只有大约1%左右。当驱动图8所示的4Ω阻性负载时，每个通道的效率达到了96%。其结果，功耗低于常规需求(只有连续额定功率的1/8)。于是，对于120W的D类音频放大器，在正常工作条件下无需采用散热器。此外，驻留噪声仅有170?V，电源电压为±35V。
结论
对于D类音频放大器性能的优化、尺寸和成本而言，像BVDSS、RDS(on)、Qg、Qrr、RG(int)、TJ(max)这些MOSFET参数以及封装都起着关键的作用。然而，不可能以偏概全，因为不同的功率电平需要不同的组合。因此，根据输出功率的要求，设计师必须仔细地选取合适的参数组合来实现放大器的最佳性能，并降低尺寸和成本。数字音频MOSFET中的各种参数必须被优化，才能实现最佳的D类放大器的综合性能。
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