D級アンプのPCBレイアウト

D級アンプのPCBレイアウトで考慮すべき点をまとめておきます。

資料としてはこちらが参考になります。

AN139 電源レイアウトとEMI

AN136 非絶縁型スイッチング電源のPCBレイアウトにおける考慮事項

PFCやLLCコンバータのレイアウトにも役に立つポイントがたくさん載っているので、おすすめのアプリケーションノートです。

まず、AN139から降圧コンバータのホットループの図を引用します。

降圧コンバータのホットループ

D級アンプはトポロジーとしては降圧コンバータなので、EMIの原因となる緑のホットループ(Cin, S1, S2)を最小化します。

具体的なPCBレイアウトの例として、AN136から図を引用します。

降圧コンバータのレイアウト例

実際のシングルエンドで両電源のD級アンプだと、出力側の連続電流はプッシュプルでVoutの-とPGNDの電位が異なります。

次に、ゲート・ドライバの図を引用します。

ゲート・ドライバのレイアウト例

基本的にゲートドライバの配線はループ面積が最小になるようにしますが、PGNDプレーンがあれば、ボトムサイドのリターン電流は自動的にAC結合するとあります。

実際のD級アンプで出力側が両電源の場合、PGNDの電位はマイナスになります。

次に、電流検出の図を引用します。

電流検出のレイアウト例

ケルビン検出(Rsense)のための配線のループ面積を最小にして、VIAからノイズを拾わないように注意となっています。

実際の電流モードのD級アンプでもLPFの出力の電流検出を行っています。

最後に、信号とパワーのグランドの分離の図を引用します。

実際のシングルエンドのD級アンプでは、信号グランドと出力のグランド(両電源の中点電位)の分離になります。PGNDに対しては絶縁かレベルシフトになります。

D級アンプの出力段:スイッチングノードとLPF

D級アンプの出力段は、通常、

MOSFET、コイル、コンデンサで構成されます。

 

特に重要なのが、

スイッチングノードとLPFの構成です。

まず、スイッチング素子としてはMOSFETを通常、用いますが、

どのような特性を重視すべきでしょうか?

 

結論としては、ゲート電荷(Qg)と出力容量(Coss)になります。

オーディオ用途としては、D級アンプの効率は十分高いため、

オン抵抗はそれほど問題になりません。

音質(サンプリング精度)に直接、影響する、

高速なスイッチングのためには、

ゲート電荷と出力容量が小さい方が有利です。

 

また、電源のバイパスコンデンサには、

大容量で低ESRのスイッチング用途の

電解コンデンサが通常、用いられます。

 

LPFのコイルとコンデンサは、

スピーカーを駆動するために、

電流定格が十分大きなものが必要になります。

D級パワーアンプの実態としては、

1MHz程度のサンプリング周波数により

オーディオ信号でPWM変調する

スイッチング電源に、

スピーカーケーブルがアンテナになって妨害電波をまき散らしたり、

搬送波などの高調波でツイーターを飛ばさないように、

EMI対策として

スピーカー駆動用のLPFがついた

構成になります。

 

ヘッドホン用のソリューションなどには、

LPFのない構成もありますが、

専用のコントローラICが必要になります。