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。
公式
仕組み
この計算機は、MOSFETパラメータ、スイッチング周波数、および負荷条件に基づいてクラスDアンプの効率を推定します。パワーエレクトロニクスのエンジニア、オーディオアンプの設計者、および熱技術者は、これを使用して熱放散を予測し、適切なヒートシンクを選択します。D級アンプは、MOSFETをリニアデバイスではなくスイッチ (完全にオンまたはオフ) として動作させることで85～ 98% の効率を実現し、導通損失を最小限に抑えます。総損失には、導通損失 P_cond = i^2_rms R_DS (on) N_MOSFET、f_sw V_Supply Q_gate に比例するスイッチング損失 P_sw、および制御 IC とゲートドライバからの静止損失 P_q が含まれます。TIとインフィニオンのデータシートによると、最新のクラスD ICは定格電力で93〜95％の効率を達成しますが、自己消費電流が支配的である場合は、10％の電力で70〜80％に低下します。IEC 60268-3規格では、効率をP_out/ (P_out+P_Dissiated) として測定しています。効率が 93% の200WのD級アンプは、同等のAB級が100W以上であるのに対し、熱として放散されるのはわずか15Wです。
計算例
問題：100WクラスDアンプ（TPA3255ベース）のフルパワーおよび標準10Wのリスニングレベルでの効率を計算します。
100 W 出力を 8 オームにした場合の解法: 1.負荷電流:i_RMS = 平方メートル (100/8) = 3.54 A 2.MOSFET: 4 デバイス、R_DS (オン) = 各 45 ミリオーム (TPA3255 データシート) 3.伝導損失:P_Cond = (3.54) ^2 0.045 4 = 2.26 W 4.スイッチング周波数:600 kHz、スイッチング損失推定:約 1.5 W (データシートのグラフより) 5.静止電力:36 ボルト * 50 ミリアンペア = 1.8 W 6.総損失:2.26 + 1.5 + 1.8 = 5.56 W 7.効率:100/ (100 + 5.56) = 94.7%
10 W 出力時のソリューション (標準リスニングレベル): 1.負荷電流:i_RMS = 平方メートル (10/8) = 1.12 A 2.伝導損失:(1.12) ^2 0.045 4 = 0.23 W 3.スイッチング損失:~0.5 W (電流が小さいほど減少) 4.静止時消費電力:1.8 W (変更なし) 5.総損失:0.23 + 0.5 + 1.8 = 2.53 W 6.効率:10/ (10 + 2.53) = 79.8%
注:低電力レベルでは静止損失が支配的であり、効率が 95% から 80% に低下する理由です。
実践的なヒント
- ✓標準リスニングレベルでの効率を向上させるには、オートアイドルモードまたは低電力スタンバイモード (TPA3255エコモード、MAX98357シャットダウン) を備えたクラスD ICを選択してください。TIアプリケーションノートによると、これらのモードでは静止電流が50～100mAから5〜10mAに減少し、低電力効率が 70% から 85% 以上に向上します。
- ✓電源電圧が高くなると効率が向上します。つまり、P_cond = I^2* R、I = P/ (V*Cos_PHI) です。電圧を 2 倍にすると電流が半分になり、導通損失が 4 倍減少します。Hypex の設計ガイドラインによると、48 V クラス D 設計では 96～ 98% の効率を実現し、24 V は同じ出力電力で 93～ 95% の効率を実現します。
- ✓オーディオアプリケーションでは、最大効率よりも低THD+Nを優先します。プレミアムクラス D (ピュリフィ・アイゲンタルト、ハイペックス nCore、パスカル) は 92～ 94% の効率で THD+N < 0.0005% を達成します。バジェットクラスD (TPA3118、PAM8403) は90～ 95% の効率を実現しますが、THD+N は 0.1-1% で、高品質のスピーカーで聞こえます。
- ✓サーマル・デザイン・ルール:クレスト・ファクターの高い音楽では、計算された放散量の2～3倍を許容してください。音楽中に平均10Wの100Wのアンプは平均で3Wほど消費しますが、ピークは10～100ミリ秒で10W以上に達することがあります。ヒートシンクは平均損失になるように設計しますが、熱時定数がIEC 60268-3に従ってピークを処理することを確認してください。
よくある間違い
- ✗データシートの効率がすべての電力レベルに適用されると仮定すると、メーカーはピーク効率（通常は定格電力の50〜100％）を指定しています。10% の電力では、静止損失が支配的になるため、効率は 15 ～ 25 パーセントポイント低下します。「95% 効率」のアンプでも、平均5～10 Wの標準的な音楽再生時には、70～ 80% の効率しか得られない場合があります。
- ✗温度ディレーティングなしでデータシートのR_DS (オン) を使用すると、MOSFETのR_DS (オン) は接合温度が25℃から100℃に50～ 100% 上昇します。25℃で50ミリオームのMOSFETは、動作温度で75～100ミリオームになり、導通損失が50～ 100% 増加します。100C 仕様を使用するか、1.5 倍のディレーティング係数を適用してください。
- ✗高周波数でのスイッチング損失は無視すると、最新のD級は400kHz～2MHzで動作するため、スイッチングノイズが可聴域を上回ります。スイッチング損失は周波数に比例します。f_swを2倍にするとP_swも2倍になります。2 MHz 設計では 500 kHz 設計のスイッチング損失が 3 ～ 4 倍高くなる可能性があり、出力フィルタが小さいことの利点が一部相殺されます。
- ✗インダクタとコンデンサの損失は忘れてください。出力LCフィルタインダクタには、DCR（0.05〜0.3オーム）とコア損失（高電力で1〜3W）があります。これらによって、アンプ IC 自体を差し引いた合計システム損失が 1 ～ 5 パーセントポイント加算されます。受動部品の損失は、一般的な設計と比べて 2 ～ 3% 増えることを想定してください。