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クラス D アンプ効率

指定出力電力における MOSFET 導通損失とアイドル電流からクラス D アンプの効率を推定します。

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公式

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

R_DS — MOSFET on-resistance (Ω)

仕組み

クラスDアンプ（スイッチングアンプ）は、高周波パルス幅変調（PWM）を使用してMOSFETを完全にオンまたはオフに切り替えて駆動し、飽和状態のMOSFETは消費電力がほぼゼロになるため、高い理論効率を実現します。AB級アンプ (通常 50～ 65% の効率) とは異なり、D級アンプは実際には85～ 98% の効率を達成します。主な損失メカニズムは次のとおりです。(1) 導通損失 — P_cond = I²_rms × R_DS (on) × N_MOSFET。ここで、I_RMS は負荷電流、R_DS (on) はMOSFETのオン抵抗です。(2) スイッチング損失 — スイッチング周波数 (通常200 kHz～1 MHz) でMOSFETのゲート容量を充電/放電することによるスイッチング損失 (3) 静止 (アイドル) 損失 — 出力電力に関係なく、制御IC、ゲートドライバ、およびブートストラップ回路によって消費される電流。低出力電力では、自己消費電流が優勢になり、効率が低下します。定格電力では、導通損失が支配的です。

計算例

クラスDモジュール：8Ωに50Wを出力します。電源: 36 V。MOSFET: 4 × 50 mΩ RDS (オン)。静止時電流:30 ミリアンペア。
負荷電流 (実効値、8 Ω):
i_RMS = √ (P/R) = √ (50/8) = 2.5 A
伝導損失:
P_Cond = I²_RMS × R_DS (on) × N = (2.5) ² × 0.050 × 4 = 1.25 W
静止損失:
p_q = 36 × 0.030 = 1.08 W
合計損失 ≈1.25 + 1.08 = 2.33 W (スイッチング損失は無視してください)
合計入力電力: 50 + 2.33 = 52.33 W
効率: 50/52.33 = 95.5%
5 W 出力 (i_RMS = 0.79 A) では、
P_Cond = 0.79² × 0.050 × 4 = 0.125 W; P_Q = 1.08 W
効率 = 5/(5 + 0.125 + 1.08) = 80.7% — 低電力では静止モードが優勢です。

実践的なヒント

  • ✓低リスニングレベル（一般的な家庭での使用は定格電力をはるかに下回る）で効率を最大化するには、スイッチング周波数を下げるか、信号がないときにスタンバイ状態になる低電力アイドルモードのクラスD ICを使用して自己消費電流を最小限に抑えます。
  • ✓電源電圧が高くなると、同じ電力のRMS電流（P = V²/R）が減少し、導通損失が減少します。同じ電力出力で電源電圧を2倍にすると、I_RMSが半分になり、P_condが半分になります（I²関係）。
  • ✓R_DS (on) × Q_Gateの性能指数が最も低いMOSFETを選択してください (数値が小さいほどスイッチング性能が高いことを示します)。400 kHzのD級オーディオの場合、20mΩ以下のR_DS (オン)、20nC以下のQ_Gateを20nC未満に抑えることは、適度なコストで実現できます。

よくある間違い

  • ✗効率を 100% と仮定し、熱予算を組まなくても、効率が 95% であっても、200 W クラス D アンプは 10 W 以上の熱を放散するため、熱管理が必要になります。周囲温度が高いと、MOSFET の R_DS (オン) が増加し (正の温度係数)、効率が悪化します。
  • ✗モデル内のスイッチング損失は無視すると、スイッチング損失はゲート電荷、スイッチング周波数、および電源電圧に比例します。1 MHz のスイッチングでは、スイッチング損失は導通損失に匹敵する可能性があります。この計算ツールは簡略化された伝導+静止モデルを使用しています。
  • ✗データシートの最大値からクラスD RDS (オン) を使用する場合 — MOSFETのデータシートでは、RDS (オン) は25°CでRDS (オン) と表示されます。100°Cの接合温度では、RDS (オン) は通常2倍になります。温度ディレーティング曲線を使用してワーストケースの効率を推定してください。

よくある質問

200Wのアンプの消費電力が 5% でも10Wなので、ヒートシンクがMOSFETの接合温度制限内に収まるには十分です。ヒートシンクはAB級 (熱として30～ 50% を放散) よりもずっと小さくできますが、ゼロになることはめったにありません。低消費電力のクラス D 設計 (20 W 未満) の中には、PCB 銅線をヒートシンクとして使用するものもあります。
AB級効率は、正弦波を伴う抵抗性負荷で約 78% でピークに達し、通常のリスニングレベルでは通常50～ 65% です。D級効率は通常、中～高出力レベルで85～ 95%、静止電流が支配的な低出力レベルで75～ 85% です。この改善は、中～高電力で最も顕著です。
最新のD級設計（ハイペックス、ピュリフィ、パスカルなど）は、THD+Nが0.001％未満、SNRが120dBを超えているため、最高のAB級アンプに匹敵します。初期のD級設計では、EMI、THD不良、周波数応答誤差に悩まされていました。今日の品質差は、リスナーにとってはごくわずかであり、主に実装の問題です。

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