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D級アンプの効率

与えられた出力電力におけるMOSFETの伝導損失と静止電流からクラスDアンプの効率を推定します。

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公式

η=Pout/(Pout+Pcond+Pq)×100η = P_out / (P_out + P_cond + P_q) × 100%, P_cond = I²·R_DS·N/2, I = √(P_out/Z_L), P_q = V_s·I_q

参考: International Rectifier AN-1070 (J. Cerezo), Class D Audio Amplifier Performance Relationship to MOSFET Parameters; Infineon AN-1198 (I. Ferstenberg, 2013), Bridging Class D Amplifiers

R_DS— MOSFETのオン抵抗 (Ω)
P_cond— 負荷電流を流すFETの導通損失 (W)
I— 負荷電流（実効値） (A)
N— MOSFETの数：ハーフブリッジは2、フルブリッジは4
P_q— 静止損失 (W)

仕組み

この計算ツールは、MOSFETのオン抵抗、自己消費電流、負荷条件からD級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、熱設計者は、これを使って発熱を予測し、適切なヒートシンクを選びます。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% の効率を達成し、導通損失を小さく抑えます。総損失は次のとおりです。導通損失 P_cond = I^2_rms R_DS(on) N_MOSFETs / 2（各ハーフブリッジで負荷電流を流すFETは常に1個なので、ハーフブリッジでは1個、フルブリッジでは2個。IR AN-1070、Infineon AN-1198）、スイッチング損失 P_sw = 0.5 I V_supply (t_r + t_f) f_sw と出力容量の項、ゲート駆動損失 2 Q_g V_drive * f_sw、制御ICとゲートドライバによる自己消費損失 P_q です。この計算ツールは導通損失と自己消費損失を扱うため、効率は上限値になります。TIとInfineonのデータシートによると、最新のD級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になる10％の電力では70〜80％に低下します。IEC 60268-3規格では、効率を P_out/(P_out + P_dissipated) として測定します。効率93% の200W D級アンプが熱として放散するのはわずか15Wで、同等のAB級では100W以上になります。

計算例

問題：100W D級アンプ（TPA3255ベース）の効率を、フルパワー時と一般的な10Wのリスニングレベルで計算します。

8 オームに100 W を出力する場合の解法:

  1. 負荷電流: I_rms = sqrt (100/8) = 3.54 A
  2. MOSFET: フルブリッジ構成の 4 個、各 R_DS(on) = 45 ミリオーム (TPA3255 データシート)。同時に負荷電流を流すのはそのうち2個
  3. 導通損失: P_cond = (3.54) ^2 0.045 2 = 1.13 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. 自己消費電力:36 V * 50 mA = 1.8 W
  6. 総損失:1.13 + 1.5 + 1.8 = 4.43 W
  7. 効率:100/ (100 + 4.43) = 95.8%

10 W 出力時の解法 (標準的なリスニングレベル):

  1. 負荷電流: I_rms = sqrt (10/8) = 1.12 A
  2. 導通損失:(1.12) ^2 0.045 2 = 0.11 W
  3. スイッチング損失:~0.5 W (電流が小さいほど減少)
  4. 自己消費電力:1.8 W (変化なし)
  5. 総損失:0.11 + 0.5 + 1.8 = 2.41 W
  6. 効率:10/ (10 + 2.41) = 80.6%

注:低出力では自己消費損失が支配的になり、これが効率が 96% から 81% 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。 P_cond = I^2 * R、I = P/(V*cos_phi). 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、48VのクラスD設計では96～ 98% の効率を実現し、24V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(on) を使用すると、MOSFET R_DS(on) 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。

よくある質問

200Wアンプの消費電力が 5% でも10Wの連続熱に相当し、ヒートシンクなしで接合部温度を周囲温度より50〜100℃高くするのに十分であり、ほとんどのMOSFETの最大値である150℃を超えます。ヒートシンクの要件は、AB級 (100W以上を消費する) よりも大幅に小さくなりますが、ゼロではありません。50 W 未満のクラス D 設計の多くは PCB 銅流しをヒートシンクとして使用します (上昇温度が 40C でワットあたり 4 ～ 6 cm2)。一方、高出力設計では Rth が 2 ～ 5 C/W 未満のアルミニウム製ヒートシンクが必要です。
ABの理論上の最大値は、正弦波を抵抗負荷に流す場合で78.5％（pi/4）です。実用的なAB級では、静止バイアス電流とドライバ段損失により、50～65％に達します。クラス D の理論上の最大値は 100% に近く、実用的なクラス D は R_DS(on), のスイッチング損失と静止電流により 85～ 95% に達します。標準的な 10% の電力レベルでは、クラス AB の効率は 20 ～ 30% に低下しますが（ほとんどの入力電力は熱になります）、クラス D は効率が 70 ～ 80% を維持します。AES の測定によると、クラス D は動作範囲全体で効率が 3 ～ 4 倍向上しています。
最新のD級設計では、THD+Nが0.001％未満、SNRが120dBを超えています。これは、オーディオ精度測定ではほとんどのAB級アンプを上回ります。プレミアム実装 (Purifi 1ET400A: 0.00017% THD、133 dB SNR、Hypex NC500: THD 0.0007%、SNR 122 dB) は、事実上すべてのクラス AB 設計よりも優れています。初期のクラスD（1990年代から2000年代）には、EMI、高周波数でのTHDの低下、出力フィルタのリンギングなどの問題がありましたが、これらは最新の設計では解決されています。ブラインド・リスニング・テストでは、適切に設計されたクラスDとクラスABとの間に一貫して聴覚的な違いは見られませんでした。

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