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[導(dǎo)讀]音頻是一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用,尤其是對于發(fā)燒友領(lǐng)域各個(gè)層面的需求。最近,基于氮化鎵(GaN)技術(shù)的高電子遷移率晶體管(HEMT)技術(shù)規(guī)格已經(jīng)為更好利用D類放大器性能鋪平了道路。

音頻是一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用,尤其是對于發(fā)燒友領(lǐng)域各個(gè)層面的需求。最高端的音頻設(shè)備通常都價(jià)格高昂,不同類型的音頻放大器吸引了眾多用戶的追求,他們相信其選擇可以最好地再現(xiàn)播放原始錄音的真實(shí)含義。盡管在各種發(fā)燒友論壇上大家對各種放大器設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)討論很多,但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中,能效起著非常重要作用。

D類放大器最早是在上世紀(jì)50年代提出(見圖1),其主要競爭技術(shù)包括A類、AB類和B類放大器,這些均在線性區(qū)域中使用晶體管,以盡可能準(zhǔn)確地再現(xiàn)輸入信號的放大版本,但這些設(shè)計(jì)的理論效率極限均低于80%,實(shí)際效率在 65%以下。對于D類設(shè)計(jì),是將輸入信號用于控制具有脈沖寬度調(diào)制(PWM)的推挽(push/pull)開關(guān),從而允許它們以導(dǎo)通和關(guān)斷模式工作。結(jié)果是,它們將不在其線性區(qū)域內(nèi)工作,從而使設(shè)計(jì)能夠提供理論上100%的效率以及零失真。

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圖1:D類放大器設(shè)計(jì)的基本框圖

在發(fā)展初期,直到具有合適器件參數(shù)的硅MOSFET出現(xiàn)之前,業(yè)界沒有可用的器件能夠?qū)崿F(xiàn)D類技術(shù)的全部潛力。但從那時(shí)起,D類放大器取得了很大的成功,特別對于智能手機(jī)、助聽器和藍(lán)牙耳機(jī)等電池供電的設(shè)備,其中高效率和低散熱都是非常有利的特性。當(dāng)然,電視和汽車等領(lǐng)域使用的更高功率放大器也受益于D類技術(shù),從而使緊湊型設(shè)計(jì)很少需要甚至幾乎不需散熱器。

最近,基于氮化鎵(GaN)技術(shù)的高電子遷移率晶體管(HEMT)技術(shù)規(guī)格已經(jīng)為更好利用D類放大器性能鋪平了道路。

新開關(guān)技術(shù)滿足D類放大要求

D類放大器能夠提供高效率和低失真能力,這主要取決于所選的開關(guān)器件。首先,導(dǎo)通電阻必須盡可能低,以減少I2R損耗。其次,為了支持更高開關(guān)頻率,開關(guān)損耗必須最小。由于功率器件中的損耗,所有類別放大器的效率通常在最低功率輸出時(shí)很差,只有達(dá)到一定的功率輸出,效率才開始提高。

D類放大器可以實(shí)現(xiàn)一種所謂多級(multilevel)的技術(shù),其中在以較低音量輸出音頻時(shí)會限制最大輸出電壓,該方法有助于在低功率輸出時(shí)提高效率。隨著音頻轉(zhuǎn)至更高的輸出電平,整個(gè)電壓擺幅可供開關(guān)器件使用。在較低輸出電平下,采用零電壓開關(guān)(ZVS),而在較高輸出電平下,放大器采用硬開關(guān)方法。這兩種操作模式都會影響開關(guān)產(chǎn)生的損耗。

在零電壓開關(guān)模式下,輸出的改變是通過電感電流換向?qū)崿F(xiàn)。因此,可以消除開關(guān)器件中的任何開關(guān)損耗以及所導(dǎo)致的功率損耗。但是,為了避免在兩個(gè)器件之間出現(xiàn)擊穿(shoot-through),必須增加一個(gè)小的空白延遲(blanking delay),以確保在進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期的導(dǎo)通狀態(tài)之前,上一個(gè)開關(guān)周期的關(guān)斷狀態(tài)得以保持。這會使輸出波形與PWM輸出所期望的波形有所不同,從而導(dǎo)致音頻信號失真??瞻籽舆t時(shí)間取決于所用功率器件的輸出電容Coss。與Si MOSFET相比,GaN晶體管的Coss明顯較低,這意味著可以將空白延遲時(shí)間保持在最低水平,從而將失真降至最低。

高功率輸出時(shí)的硬開關(guān)意味著在功率器件導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)輸出端的電壓為非零。Si MOSFET具有一個(gè)體二極管,在開關(guān)斷開后,其中會積累反向恢復(fù)電荷(Qrr)。在對置開關(guān)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)之前,需要將其放電,而這些都需要一些時(shí)間。GaN晶體管在這里則有很大不同,因?yàn)闆]有內(nèi)在的體二極管,因此也沒有Qrr。這樣可產(chǎn)生更清晰的開關(guān)波形、經(jīng)過改善的失真系數(shù)和更高的整體效率。

不幸的是,使用GaN技術(shù)時(shí),也需要應(yīng)對Coss帶來的挑戰(zhàn)。但是,GaN存儲的能量明顯低于Si MOSFET,導(dǎo)致在下一個(gè)導(dǎo)通周期耗散的能量更少。由于這對高頻損耗影響極大,因此,與Si相比,GaN的性能表現(xiàn)出非常有益的改進(jìn)。最重要的是,轉(zhuǎn)向GaN技術(shù)還可以在較小的裸片尺寸中提供更低的導(dǎo)通電阻,從而使工程師除了可以提供更好的音頻質(zhì)量外,還可以實(shí)現(xiàn)更密集、緊湊的音頻解決方案。

如何在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)GaN的優(yōu)勢

與類似的硅器件一樣,GaN HEMT器件也具有柵極、漏極和源極端接。二維電子氣(2DEG)層可以提供了一個(gè)電子池,能以非常低電阻實(shí)現(xiàn)源極和漏極之間的短路。當(dāng)沒有施加?xùn)艠O偏壓(VGS = 0V)時(shí),p-GaN柵極停止導(dǎo)通。但應(yīng)當(dāng)注意,GaN HEMT與Si MOSFET的不同在于它們是雙向的,并且如果漏極電壓變得低于源極電壓,將允許反向電流流動。沒有體二極管的存在也極大地消除了Si MOSFET中常見的PN結(jié)相關(guān)開關(guān)噪聲,從而能夠提供一種更為“潔凈”的開關(guān)(見圖2)。

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圖2:GaN HEMT晶體管的結(jié)構(gòu)(左)和卓越的開關(guān)特性,這些使D類放大器具備比Si MOSFET更大的優(yōu)勢(右)

一個(gè)采用D類技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的250W器件是IGT40R070D1 E8220,它可提供70mΩ RDS(on)(max)以及200V D類驅(qū)動器IC(IRS20957S),能夠?yàn)?Ω負(fù)載提供160W功率而無需散熱器(見圖3)。在100W時(shí),THD + N僅僅為0.008%。將開關(guān)設(shè)置為500kHz時(shí),THD + N測量顯示,在放大器從ZVS轉(zhuǎn)為硬開關(guān)區(qū)域時(shí)(功率只有幾瓦),失真沒有明顯變化,并且硬開關(guān)區(qū)域非常潔凈,很少噪聲。

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圖3:250W D類放大器設(shè)計(jì)(左)和THD + N測量(右)

總結(jié)

70年前,D類放大器概念的引入提供了一種前所未聞,但在理論上非常合理的音頻保真度以及出色的效率。雖然傳統(tǒng)硅MOSFET性能得到了巨大改進(jìn),并且在設(shè)計(jì)上不斷取得進(jìn)步,但Qrr和Coss的影響都限制了較高的開關(guān)頻率,限制了效率的進(jìn)一步提高,并最終導(dǎo)致D類設(shè)計(jì)中的音頻失真。要實(shí)現(xiàn)較低的RDS(on),需要較大的芯片尺寸,這也意味著更實(shí)現(xiàn)高能效設(shè)計(jì)需要更大的體積。隨著GaN晶體管技術(shù)的應(yīng)用,消除了Qrr,Coss也大幅度降低,在確保提供最好THD + N結(jié)果的同時(shí),能夠以更高的開關(guān)頻率運(yùn)行。小巧封裝所固有的低RDS(on)(max)使D類GaN放大器可以在小體積內(nèi)提供高音頻保真度,而無需笨重的散熱解決方案。

注:

作者:英飛凌科技 -  Jun Honda, Lead Principal Engineer for Class D Audio and Pawan Garg, System Application Engineer

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