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本文将分析带容性负载的 D 类放大级工作原理，并讲解其在压电放大器设计中的应用方式。

压电驱动器是各类压电系统的必备组成部分，广泛应用于精密定位与运动控制场景。压电驱动器输出级的最优设计方案取决于具体应用场景。正如前文所述，AB 类输出级线性度高、纹波小，最适合小行程应用。

本文将介绍另一种应用广泛的输出级架构 ——D 类放大器的优缺点。在讲解其工作原理后，将原理落地应用于容性压电负载驱动场景，重点分析 D 类输出级在大功率压电放大器中的应用优势。

D 类输出级拓扑结构

带容性负载的 D 类输出级电路如图 1 所示。

图 1：用于电压反馈放大器、带容性压电负载的 D 类半桥开关输出级

D 类输出级的工作原理与 AB 类完全不同。MOSFET 以开关模式工作：理想导通状态无压降，关断状态无电流。上下桥臂 MOSFET 按 PWM 开关频率 fPWM=1/T 交替通断，占空比为 τ/T；上管导通时下管关闭，反之亦然。

开关节点电压（VSW）在正电源 VP 与负电源 VN 之间来回切换，有效有用信号蕴含在 VSW 的低频分量中。

该架构通常采用二阶 LC 低通滤波器，也可采用更复杂的低通拓扑。与阻性负载 D 类电路不同，压电负载本身电容 Cl 会与滤波并联电容 Cf、串联电感 Lf 共同构成 LC 低通滤波网络。后文将说明，这些器件的参数选型，会同时影响输出纹波与压电反馈放大器的动态频率响应。

功耗与热管理

在理想器件条件下，输出级本身无功率损耗。可以这样理解能量流向：理想 D 类输出级驱动正弦激励的容性压电负载时，由于负载呈无功特性，电压与电流相位正交，不会向负载输送净有功功率。

既然负载和输出级都不消耗功率，能量去往了哪里？与 AB 类不同，电源在半个周期内向负载输送的能量，会在另半个周期回流至电源并被电源吸收。

这一特性依赖输出级的双向电流能力，要求负载灌电流与拉电流均可通过上下桥臂通路双向流动。

设计意义

在理想条件下，电容负载的正弦激励仅导致电源与负载通过D类输出级之间的能量来回交换。这种能量回收为需要大功率和/或高速且压电负载大的压电器件应用提供了极具吸引力的价值主张。

这种做法的好处不仅仅是节电。也许更重要的是，无功功率不会转化为热能。热管理的好处可能非常显著。除了节省总质量、体积和成本外，在某些情况下，这也是减少功率晶体管热应力的唯一方法。

实际工程考量

前文均基于理想工况分析，实际商用 D 类压电驱动器仍存在功耗损耗，主要来源于 MOSFET 高频 PWM 开关带来的导通损耗与寄生电容充放电损耗。

MOSFET 导通电阻 Rds (on)、滤波电感寄生电阻 RLf 产生的导通损耗近似计算公式：损耗功率≈负载均方根电流 ²×(MOSFET 导通电阻 + 电感寄生电阻)

当死区时间不为零时，体二极管导通损耗也会产生影响（占比相对较小）。此外还存在与 PWM 开关频率正相关的开关损耗和寄生损耗，主要包括：

• 栅极驱动损耗（MOSFET 输入电容）

• 体二极管反向恢复损耗

• 输出电容电荷损耗

上述损耗均随 PWM 频率升高而增大。提升开关频率必然要在功耗之间做取舍，但提高频率也存在利好，下一节将说明：PWM 频率对输出纹波影响极大。

输出纹波与 LC 滤波器设计

受开关工作特性影响，D 类放大器天然存在输出纹波，接入容性压电负载后同样如此。纹波频率由 PWM 开关频率 fPWM 决定，纹波幅值则取决于开关频率与输出 LC 滤波网络参数。

需采用系统化设计方法，将纹波控制在指标范围内，并厘清参数对其他性能的影响。先从基础设计公式入手。

LC 滤波器设计公式

假设图 1 中开关节点 VSW 在对称电源 ±Vs 之间切换（VP 与 VN 绝对值相等），滤波电感 Lf 上最大峰峰值纹波电流计算公式：电感纹波峰峰值 = 电源电压 ÷(2×PWM 频率 × 电感值)

负载最大峰峰值电压纹波计算公式：负载电压纹波峰峰值 = 电源电压 ÷[8×PWM 频率 ²×(滤波并联电容 + 负载电容)× 电感值]

式中 Cf 为滤波并联电容，Cl 为压电负载电容。以上公式基于简单 LC 滤波器模型，总电容为 Cf 与 Cl 之和。

输出级滤波网络还会影响压电驱动器小信号带宽，可设计为三阶巴特沃斯响应，带宽公式：带宽 = 1÷(2π×√[1÷(2× 总电容 × 电感值)])其中总电容 Ctot = Cf + Cl

整机系统带宽还受其他电路级以及图 1 电压反馈环路影响，可通过提升环路增益进一步拓展带宽。

结合纹波电流、纹波电压、带宽的指标要求，可列出多组不等式约束条件，限定 Lf、Ctot 的取值范围；同时电感选型还受最大可用电感值 Lmax 限制。

公式计算得出的参数范围，还受实际器件工艺约束：市面上滤波电感虽可兼顾尺寸、电流能力与频率特性，但电感量存在上限。

设计区间可视化分析

代入实际工程参数可直观体现这套设计方法的价值：电源电压 Vs = 150 VPWM 开关频率 fPWM = 300 kHz最大允许电感纹波电流 = 4 A（峰峰值）最大允许输出电压纹波 = 1 V（峰峰值）小信号带宽 = 3 kHz电感最大取值 Lmax = 68 μH

将参数代入约束不等式，可在 Lf-Ctot 二维平面形成可用设计区间，如图 2 所示。

图 2：PWM 频率 300 kHz 下，Lf 与总电容 Ctot 的设计区间分布图

图中纯色区域为禁止选用区间，绿色斜线交集区域为合规区间，该范围内的 Lf、Ctot 组合可同时满足纹波与带宽指标要求。

指标参数、电源电压、开关频率、电感上限不同，合规区间会变大、变小甚至完全不存在；若无可用区间，说明当前参数下无法满足设计要求。

将 PWM 频率从 300 kHz 提升至 400 kHz，可用设计区间会明显拓宽，如图 3 所示。

图 3：PWM 频率 400 kHz 下，Lf 与总电容 Ctot 的设计区间分布图

提高 PWM 频率有利于抑制残留纹波，但也会带来电磁兼容 EMI 设计难度上升、器件选型受限、功耗增加等新问题。

在合规区间选定电感 Lf 后，可对应得到总电容 Ctot 的合理取值范围。若设计需要兼容大范围变化的负载电容，需在负载侧并联小容量滤波电容，降低小压电负载下的纹波电流。

但该做法会限制小负载工况的最大负载电流，进而影响压摆率性能。

总结

D 类输出级尤其适合大功率压电放大器设计，在需要高频往复运动、长行程机械位移的压电应用中，可充分发挥能量回收优势。

尽管 PWM 开关会带来输出残留纹波，但在 AB 类散热能力无法满足工况的场景下，D 类架构具备不可替代的优势。想要兼顾纹波、带宽、功耗与 EMI 指标，必须合理选型 LC 滤波器件。本文给出的系统化设计流程，可为此提供完整设计依据。

关键词： 压电驱动器 D 类放大器 输出级拓扑 容性负载 LC 滤波器