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Rendement de l'amplificateur de classe D

Estime le rendement de l'amplificateur de classe D à partir des pertes de conduction MOSFET et du courant de repos à une puissance de sortie donnée.

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Formule

η = P_out / (P_out + P_cond + P_q) × 100%

R_DS— MOSFET on-resistance (Ω)

Comment ça marche

Les amplificateurs de classe D (amplificateurs à commutation) utilisent la modulation de largeur d'impulsion à haute fréquence (PWM) pour activer ou désactiver les MOSFET en alternance, atteignant ainsi une efficacité théorique élevée car les MOSFET en saturation dissipent une puissance quasi nulle. Contrairement aux amplificateurs de classe AB (généralement efficaces de 50 à 65 %), les amplificateurs de classe D atteignent une efficacité de 85 à 98 % dans la pratique. Les principaux mécanismes de perte sont les suivants : (1) Pertes par conduction — P_cond = I²_RMS × R_DS (on) × N_MOSFET, où I_RMS est le courant de charge et R_DS (on) est la résistance à l'état passant du MOSFET. (2) Pertes de commutation — dues aux capacités de charge et de décharge de la grille MOSFET à la fréquence de commutation (généralement 200 kHz—1 MHz). (3) Au repos (pertes (inactives) : courant consommé par le circuit de commande, les pilotes de grille et les circuits d'amorçage, quelle que soit la puissance de sortie. Aux faibles puissances de sortie, le courant de repos domine et le rendement diminue ; à la puissance nominale, les pertes de conduction dominent.

Exemple Résolu

Module de classe D : sortie de 50 W sous 8 Ω. Alimentation : 36 V. MOSFET : 4 × 50 mΩ RDS (activé). Courant de repos : 30 mA. Courant de charge (RMS, 8 Ω) : I_RMS = √ (P/R) = √ (50/8) = 2,5 A Perte de conduction : P_Cond = I²_RMS × R_DS (activé) × N = (2,5) ² × 0,050 × 4 = 1,25 W Perte de repos : P_q = 36 × 0,030 = 1,08 W Pertes totales ≈ 1,25 + 1,08 = 2,33 W (sans tenir compte des pertes de commutation) Puissance d'entrée totale : 50 + 2,33 = 52,33 W Efficacité : 50/52,33 = 95,5 % À une sortie de 5 W (i_RMS = 0,79 A) : P_cond = 0,79² × 0,050 × 4 = 0,125 W ; P_q = 1,08 W Efficacité = 5/(5 + 0,125 + 1,08) = 80,7 % — le repos domine à faible puissance.

Conseils Pratiques

  • ✓Pour optimiser l'efficacité à de faibles niveaux d'écoute (une utilisation domestique typique est bien inférieure à la puissance nominale), minimisez le courant de repos en utilisant un circuit intégré de classe D doté d'un mode veille à faible consommation qui réduit la fréquence de commutation ou passe en veille en l'absence de signal.
  • ✓Une tension d'alimentation plus élevée réduit le courant efficace pour la même puissance (P = V²/R), réduisant ainsi les pertes de conduction : le doublement de la tension d'alimentation à la même puissance de sortie réduit I_RMS de moitié et réduit de moitié P_cond (relation I²).
  • ✓Sélectionnez les MOSFET dont le facteur de mérite R_DS (on) × Q_gate est le plus faible (un chiffre inférieur indique de meilleures performances de commutation). Pour la classe audio D à 400 kHz, un R_DS (activé) inférieur à 20 mΩ avec un Q_gate inférieur à 20 nC est réalisable à un coût modique.

Erreurs Fréquentes

  • ✗En supposant un rendement de 100 % et sans budgétisation pour la chaleur, même à 95 % d'efficacité, un ampli de classe D de 200 W dissipe plus de 10 W de chaleur, ce qui nécessite une gestion thermique. À des températures ambiantes élevées, le MOSFET R_DS (activé) augmente (tempco positif), ce qui détériore l'efficacité.
  • ✗Ignorer les pertes de commutation dans le modèle : les pertes de commutation évoluent en fonction de la charge de la grille, de la fréquence de commutation et de la tension d'alimentation. À une commutation de 1 MHz, les pertes de commutation peuvent rivaliser avec les pertes de conduction. Ce calculateur utilise un modèle simplifié de conduction et de repos.
  • ✗En utilisant le RDS de classe D (activé) de la fiche technique au maximum, les fiches techniques MOSFET fournissent un RDS (activé) à 25 °C. À une température de jonction de 100 °C, le RDS (activé) double généralement. Utilisez la courbe de réduction de la température pour estimer l'efficacité dans le pire des cas.

Foire Aux Questions

Même une dissipation de 5 % dans un amplificateur de 200 W correspond à 10 W, ce qui est suffisant pour qu'un dissipateur thermique reste dans les limites de température de jonction du MOSFET. Le dissipateur thermique peut être beaucoup plus petit que celui de la classe AB (qui dissipe 30 à 50 % sous forme de chaleur), mais il est rarement nul. Certains modèles de classe D à faible consommation (moins de 20 W) utilisent le cuivre du PCB comme dissipateur thermique.
L'efficacité de classe AB culmine à environ 78 % pour une charge résistive à onde sinusoïdale, et se situe généralement entre 50 et 65 % à des niveaux d'écoute normaux. Le rendement de classe D est généralement de 85 à 95 % à des niveaux de sortie moyens à élevés et de 75 à 85 % à des niveaux de sortie faibles où le courant de repos domine. L'amélioration est plus prononcée à puissance moyenne à élevée.
Les modèles modernes de classe D (par exemple, Hypex, Purifi, Pascal) atteignent un THD+N inférieur à 0,001 % et un SNR supérieur à 120 dB, ce qui est compétitif par rapport aux meilleurs amplificateurs de classe AB. Les modèles de classe D antérieurs souffraient d'interférences électromagnétiques, d'un faible THD et d'erreurs de réponse en fréquence. La différence de qualité est aujourd'hui négligeable pour les auditeurs et est en grande partie une question de mise en œuvre.

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