图1显示了使用FET控制器件的B类放大器的通用电路图。
图1：使用FET控制器件的B类放大器。
许多年前，在工程学校，我们了解到这种B类放大器的最大效率为78.5%。详细的推导表明，B类放大器效率的通用公式为：
其中，π=3.14159…
Vp=输出正弦波的峰值电压（Vpsin(ωt)）；
Vdc=直流电源电压（见图1）。
由于放大器无法产生大于其自身电源电压的输出电压，因此Vp实际上不能超过Vdc。因此，当Vp=Vdc时，效率最大：
最大效率=π/4=0.785=78.5%
公式1求得的最大效率相对于Vp=Vdc会适当减少，我们多年以前在学校中学到的知识得到了验证。在这种情况下，传输器件上的电压最小，则效率最高。当Vp＜Vdc时，传输晶体管上的电压将会增加，这会产生更多的热量，而使电路效率降低。
这个公式是假定将恒定幅度的正弦输出电压输送到负载。例如，Industrial Test Equipment公司的变频器产品线中就有以恒定幅度正弦输出电压工作的放大器。这类设备将本地电源线的电压和频率转换为不同的电压和/或频率。500C型号可以将60Hz转换为50Hz，反之亦然，将50Hz转换为60Hz，并在两种情况下为负载提供恒定的115VAC。
但是，使Vp=Vdc，会使放大器过于靠近边界条件。Vdc或Vp的微小变化，可能导致波形的顶部被削掉。换句话说，放大器不能驱动到Vp高于Vdc的程度。削波这种结果通常是不可接受的。Vp=Vdc不是实际的工作点。
考虑到10%的裕度，可以将最大Vp选择为0.9Vdc，这样效率就变成了：
效率=π/4×0.9Vdc/Vdc=70.7%
这就是B类放大器工作在恒定输出电压下的更实际的效率水平。
与B类放大器相比，使用开关（D类）放大器可以提高效率。然而，这会引入开关噪声并使电路变得更加复杂。B类电路几乎没有噪声，电路更简单，并且具有完全的正弦波形。
选择散热器
接下来考虑效率的一般公式：
效率=η=Pload/(Pdevice+Pload)
其中：
Pload=输送到负载的功率（W）
Pdevice=需要从FET耗散的功率
将这个公式变形可以得到：
这样就可以计算系统所需的散热量。例如，假设η=70.7%，Pload=100W，则500C型号所需的散热量为：
Pdevice=500×(1-0.707)/0.707=207W
这是在系统提供全输出功率（即500W）时的耗散。在较低的输出功率下，功耗成比例地降低。例如，在50W的输出功率下，耗散为20.7W。
所有的B类功率放大器都会在散热器上装有一个热敏开关。当散热器温度超过70℃时，这个开关就会打开，从而关闭放大器。当散热器冷却至50℃时，该开关就会关闭，从而自动恢复正常操作。
公式1的推导
该推导分为两个主要部分：基本公式和积分后的结果。考虑到大多数读者可能不喜欢看乏味的计算细节，这里省略了这些部分之间的分步推导。这里提供了足够的信息，以便有兴趣的人可以验证结果。
由于积分公式代表瞬时功率，这些公式还是必要。必须将所有瞬时功率相加（积分），然后除以周期（π），从而获得半个周期内的平均功率。实际上，由于正弦波输出的正半部分和负半部分是对称的，并且每半部分都向负载提供相同的功率，因此我们仅需要对正弦波的1/2个周期进行积分（图2）。
图2：公式1的推导。
降额曲线
从上面的例子可以得知，在Vp/Vdc=0.9的情况下，500S型号可以向负载提供500W功率，而散热量为207W（Pload=500W，Pdevice=207W）。那么，在较低的电压（即Vp/Vdc＜0.9）下工作时，可以提供多少功率？
这个问题可以通过对公式2变形并用公式1代替η来解答。结果是：
继续看这个例子，令Vp/Vdc以0.1的增量从1变为0，并且令Pdevice=207W。要达到满额定功率输出，必须要加散热器耗散这么多的热量。由于有这样的散热器，我们可以将它用于所有级别的输出功率。
结果如表1所示，它使用上述公式和Excel电子表格构建。
最大负载功率（Pload）是Vp/Vdc的函数。
这里将Vp/Vdc=0.9视为最佳工作点（请参见前面的讨论）。工作在0.9＜(Vp/Vdc)＜1的范围内效率会更高，但这会太接近削波点。
表1：不同Vp/Vdc下的功率和效率。
该表显示，对于Vp/Vdc=0.9且耗散在207W的情况下，Pload=500W，这与先前计算的相同。随着Vp/Vdc的降低，500S型号的最大功率也会降低。例如，在Vp/Vdc=0.7时，只能提供大约250W功率，效率下降到55%。
Dana Geiger是一位电子工程师，目前在美国纽约州华盛顿港的工业测试设备公司（Industrial Test Equipment）兼职。
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：Some thoughts on Class B amplifiers）
本文为《电子技术设计》2020年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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