RFrftools.io

클래스 D 앰프 효율

주어진 출력 전력에서 MOSFET 전도 손실과 대기 전류로부터 클래스 D 앰프 효율을 추정합니다.

Loading calculator...

공식

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

R_DS — MOSFET on-resistance (Ω)

작동 방식

클래스 D 증폭기 (스위칭 증폭기) 는 고주파 펄스폭 변조 (PWM) 를 사용하여 MOSFET을 교대로 완전히 켜거나 완전히 끕니다. 포화 상태의 MOSFET은 거의 0에 가까운 전력을 소비하므로 높은 이론적 효율을 얻을 수 있습니다.클래스 AB 증폭기 (일반적으로 50~ 65% 효율) 와 달리 클래스 D 증폭기는 실제로 85~ 98% 의 효율을 달성합니다.주요 손실 메커니즘은 다음과 같습니다. (1) 전도 손실 — P_cond = i²_RMS × R_DS (on) × n_MOSFET, 여기서 i_RMS는 부하 전류이고 R_DS (on) 은 MOSFET 온 저항입니다. (2) 스위칭 손실 — 스위칭 주파수 (일반적으로 200kHz—1MHz) 에서 MOSFET 게이트 커패시턴스의 충전/방전으로 인한 것입니다. (3) 대기 (유휴) 손실 — 출력 전력에 관계없이 제어 IC, 게이트 드라이버 및 부트스트랩 회로에서 소모되는 전류.낮은 출력 전력에서는 대기 전류가 우세하고 효율이 떨어집니다. 정격 전력에서는 전도 손실이 지배적입니다.

계산 예제

클래스 D 모듈: 50W에서 8Ω 단위로 출력전원: 36 볼트. MOSFET: 4 × 50 mΩ RDS (켜짐).무부하 전류: 30 밀리암페어.
부하 전류 (RMS, 8Ω):
i_RMS = √ (P/R) = √ (50/8) = 2.5A
전도 손실:
P_cond = I²_RMS × R_DS (on) × N = (2.5) ² × 0.050 × 4 = 1.25W
대기 손실:
P_q = 36 × 0.030 = 1.08W
총 손실 ≈ 1.25 + 1.08 = 2.33W (스위칭 손실 무시)
총 입력 전력: 50 + 2.33 = 52.33W
효율성: 50/ 52.33 = 95.5%
5W 출력 시 (I_RMS = 0.79A):
P_cond = 0.79² × 0.050 × 4 = 0.125W, P_Q = 1.08W
효율 = 5/(5 + 0.125 + 1.08) = 80.7% — 저전력에서는 대기 상태가 우세합니다.

실용적인 팁

  • ✓낮은 청취 레벨 (일반적으로 가정에서는 정격 전력보다 훨씬 낮음) 에서 효율성을 극대화하려면 스위칭 주파수를 줄이거나 신호가 없을 때 대기 모드로 전환되는 저전력 유휴 모드가 있는 클래스 D IC를 사용하여 대기 전류를 최소화하십시오.
  • ✓공급 전압이 높을수록 동일한 전력에 대한 RMS 전류가 감소하여 (P = V²/R) 전도 손실이 감소합니다. 동일한 전원 출력에서 공급 전압을 두 배로 늘리면 I_RMS가 절반으로 감소하고 P_cond가 절반으로 줄어듭니다 (I² 관계).
  • ✓R_DS (on) × Q_gate 성능 지수가 가장 낮은 MOSFET을 선택하십시오 (수치가 낮을수록 스위칭 성능이 우수함).400kHz의 오디오 클래스 D의 경우, 20mΩ 미만의 R_DS (온), Q_gate가 20nC 미만인 경우 저렴한 비용으로 구현할 수 있습니다.

흔한 실수

  • ✗100% 효율을 가정하고 열 관련 예산을 책정하지 않는 경우, 효율이 95% 인 경우에도 200W 클래스 D 앰프는 10W 이상의 열을 발산하므로 열 관리가 필요합니다.주변 온도가 높으면 MOSFET R_DS (on) 가 증가하여 (양의 온도) 효율이 떨어집니다.
  • ✗모델의 스위칭 손실 무시 — 스위칭 손실은 게이트 전하, 스위칭 주파수 및 공급 전압에 따라 조정됩니다.1MHz 스위칭에서는 스위칭 손실이 전도 손실에 필적할 수 있습니다.이 계산기는 단순화된 전도+무부하 모델을 사용합니다.
  • ✗데이터시트 최대값에서 클래스 D RDS (on) 를 사용하면 MOSFET 데이터시트는 25°C에서 RDS (on) 를 나타냅니다. 100°C 접합 온도에서 RDS (on) 는 일반적으로 두 배로 증가합니다.온도 경감 곡선을 사용하여 최악의 경우 효율을 추정할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

200W 증폭기에서 손실되는 5% 도 10W이므로 MOSFET 접합 온도 한계 내에서 히트싱크가 필요하기에 충분합니다.히트싱크는 클래스 AB (30~ 50% 를 열로 소산함) 보다 훨씬 작을 수 있지만 0인 경우는 거의 없습니다.일부 저전력 클래스 D 설계 (20W 미만) 는 PCB 구리를 방열판으로 사용합니다.
AB 등급 효율은 사인파의 저항 부하에서 약 78% 로 최고조에 달하며, 일반 청취 수준에서는 일반적으로 50-65% 입니다.클래스 D 효율은 일반적으로 중간에서 높은 출력 레벨에서 85~ 95% 이고 대기 전류가 우세한 저출력 레벨에서는 75~ 85% 입니다.이러한 개선은 중/고 전력에서 가장 두드러집니다.
최신 클래스 D 설계 (예: 하이펙스, 퓨리피, 파스칼) 는 THD+N이 0.001% 미만이고 SNR이 120dB 이상이므로 최고의 클래스 AB 증폭기와 경쟁할 수 있습니다.이전의 클래스 D 설계에서는 EMI, THD 불량, 주파수 응답 오류 등의 문제가 있었습니다.오늘날의 품질 차이는 리스너에게는 무시해도 될 정도이며 대부분 구현의 문제입니다.

Related Calculators

Audio

Audio Amplifier

Calculate audio amplifier output power, efficiency, THD class estimate, SNR, and input sensitivity for Class A, AB, and D amplifiers.

Audio

Audio SNR

Calculate audio signal-to-noise ratio, dynamic range, and equivalent noise bits from signal and noise floor levels.

Audio

Amp Clipping

Calculate amplifier clipping voltage, power, and dBV level from supply voltage and load impedance.

Audio

Speaker Crossover

Calculate passive 2-way speaker crossover component values for 1st order (6dB/oct) and 2nd order Butterworth (12dB/oct) networks.

Audio

Room Modes

Calculate room axial resonant frequencies and Schroeder frequency for acoustic treatment and speaker placement.

Audio

Speaker SPL

Calculate speaker SPL at any power and distance from the rated sensitivity (dB/W/m) specification.