【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)的音頻放大技術(shù)是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，發(fā)燒友們對(duì)于構(gòu)成家庭音頻最佳設(shè)置的要素有明顯不同意見(jiàn)。對(duì)于那些堅(jiān)持使用經(jīng)典放大器拓?fù)浼軜?gòu)的用戶，他們的要求主要集中體現(xiàn)在準(zhǔn)確的音頻再現(xiàn)方面，而幾乎不考慮解決方案的整體用電效率。
傳統(tǒng)的音頻放大技術(shù)是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，發(fā)燒友們對(duì)于構(gòu)成家庭音頻最佳設(shè)置的要素有明顯不同意見(jiàn)。對(duì)于那些堅(jiān)持使用經(jīng)典放大器拓?fù)浼軜?gòu)的用戶，他們的要求主要集中體現(xiàn)在準(zhǔn)確的音頻再現(xiàn)方面，而幾乎不考慮解決方案的整體用電效率。雖然這在家庭音頻環(huán)境中完全合理，但在許多其它應(yīng)用中都要求較高的放大器效率。這或許是為了節(jié)省能源，并延長(zhǎng)電池壽命，或是為了減少散熱，從而使產(chǎn)品更致密、更緊湊。
音頻放大器有幾種基本類型，包括A類、AB類和B類，它們都利用其晶體管的線性區(qū)域，并以最小失真完美地再現(xiàn)輸入音頻信號(hào)。研究表明，這種設(shè)計(jì)理論上可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)80％的效率，但實(shí)際上，它們的效率約為65％或更低。在當(dāng)今由電池供電的智能手機(jī)、數(shù)字增強(qiáng)型無(wú)繩電信（DECT）手機(jī)和藍(lán)牙揚(yáng)聲器等電子產(chǎn)品中，效率低下會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生巨大影響。像在電子行業(yè)的大多數(shù)其他領(lǐng)域（如電源轉(zhuǎn)換器）一樣，使用開(kāi)關(guān)技術(shù)，而非線性技術(shù)的設(shè)計(jì)方法似乎能夠有望實(shí)現(xiàn)突破。
D類放大器首先是在上世紀(jì)50年代出現(xiàn)，它使用一對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行推/挽配置（圖1）。脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)占空比由輸入音頻信號(hào)控制，可確保開(kāi)關(guān)器件處于打開(kāi)或關(guān)斷狀態(tài)，從而將其線性區(qū)域的操作保持在最低水平。這不僅能夠?qū)崿F(xiàn)100％的理論效率，而且還具有零失真的潛力。
當(dāng)時(shí)，市場(chǎng)上只有鍺晶體管，但是它經(jīng)過(guò)證明不適合這種開(kāi)關(guān)拓?fù)浼軜?gòu)的需求，因此早期的放大器設(shè)計(jì)并不成功。直到后來(lái)，隨著MOSFET技術(shù)的出現(xiàn)，D類設(shè)計(jì)才得起死回生。如今，此類放大器因其高能效而在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在當(dāng)今的平板電視和汽車(chē)音響控制單元等設(shè)計(jì)中，緊湊性是一項(xiàng)非常迫切的要求，D類放大器在其中也很受歡迎，因?yàn)樗ǔ２恍枰恐氐纳崞鳌?/div>
基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）是一種新技術(shù)，可用作D類設(shè)計(jì)中的開(kāi)關(guān)器件，并可提供更高的效率和音頻質(zhì)量。
滿足D類放大器的需求
為了能夠接近D類放大器理論上的高性能，開(kāi)關(guān)器件需要具備低導(dǎo)通電阻，以最大程度地降低I2R損耗。GaN器件具有比Si MOSFET低得多的導(dǎo)通電阻，并且可以通過(guò)較小的芯片面積實(shí)現(xiàn)。反過(guò)來(lái)，這種小芯片封裝也可以幫助設(shè)計(jì)師將更多緊湊型放大器推向市場(chǎng)。
開(kāi)關(guān)損耗是另一個(gè)需要充分考慮的因素。在中、高功率輸出時(shí)，D類放大器的性能非常出眾。但是，由于功率器件中的損耗，功率輸出最低時(shí)的效率也最低。
為了克服這一挑戰(zhàn)，一些D類放大器采用兩種工作模式。在播放低音量音頻時(shí)，這種多級(jí)技術(shù)限制了功率器件可以切換到的輸出電壓。一旦輸出音量達(dá)到設(shè)定的閾值，開(kāi)關(guān)的輸出電壓軌就會(huì)增大，從而可提供完整的電壓擺幅。為了進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗的影響，在低輸出量時(shí)可以使用零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）技術(shù)，而在高功率水平時(shí)改為硬開(kāi)關(guān)。
當(dāng)使用Si MOSFET實(shí)施時(shí)，由于功率器件關(guān)斷和導(dǎo)通時(shí)輸出的非零電壓，硬開(kāi)關(guān)模式會(huì)導(dǎo)致體二極管中產(chǎn)生電荷累積。之后，積累的反向恢復(fù)電荷（Qrr）需要放電，這其中需要的時(shí)間在PWM控制實(shí)施過(guò)程中應(yīng)該考慮。而如果采用GaN進(jìn)行設(shè)計(jì)，則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檫@些晶體管沒(méi)有固有的體二極管，因此也就沒(méi)有Qrr，這樣可以實(shí)現(xiàn)更高的總體效率、改進(jìn)的失真系數(shù)以及更清晰的開(kāi)關(guān)波形。
放大器在零電壓開(kāi)關(guān)模式下工作時(shí)，由于輸出的轉(zhuǎn)變是通過(guò)電感電流換向來(lái)實(shí)現(xiàn)，可有效消除開(kāi)關(guān)中的開(kāi)關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的功率損失。然而，與所有半橋設(shè)計(jì)一樣，需要考慮直通（shoot-through）問(wèn)題，即高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。通?？梢圆迦胍粋€(gè)稱為消隱時(shí)間（blanking time）的短延遲，以確保其中一個(gè)開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通之前另一個(gè)開(kāi)關(guān)完全關(guān)斷。需要注意的是，該延遲會(huì)影響 PWM 信號(hào)，導(dǎo)致音頻輸出失真，因此設(shè)計(jì)中的一個(gè)目標(biāo)是盡可能縮短延遲，以維持音頻保真度。該延遲的長(zhǎng)度取決于功率器件的輸出電容Coss。雖然GaN晶體管尚未完全消除Coss，但明顯低于Si MOSFET器件。因此，使用 GaN 時(shí)，其較短的消隱時(shí)間會(huì)導(dǎo)致更小的放大器失真。
盡管上面提到的改進(jìn)，這種電容中儲(chǔ)存的能量仍有待處理，在下一個(gè)導(dǎo)通周期中被消耗掉。但是這些損耗的影響在較高開(kāi)關(guān)頻率下尤其明顯，因此基于 GaN 的設(shè)計(jì)比 Si放大器具有更高的效率。
如何實(shí)現(xiàn)GaN 的優(yōu)勢(shì)
GaN HEMT 晶體管與 Si MOSFET 命名其各個(gè)端子的方式完全相同，具有柵極、漏極和源極。借助于柵極和源極之間的二維電子氣體（2DEG），它們實(shí)現(xiàn)了極低電阻，由于提供有電子池，因此可有效地實(shí)現(xiàn)短路。當(dāng)不加?xùn)艠O偏壓（VGS = 0V）時(shí)，p-GaN柵極將停止導(dǎo)通。GaN HEMT 是雙向器件，這一點(diǎn)與硅器件不同。因此，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則可能會(huì)產(chǎn)生反向電流。GaN HEMT 晶體管具有潔凈的開(kāi)關(guān)波形，這也是其優(yōu)勢(shì)所在，主要是沒(méi)有Si MOSFET中常見(jiàn)的體二極管（圖2）。這是與 PN 結(jié)相關(guān)的大量開(kāi)關(guān)噪聲的原因。
業(yè)界已經(jīng)證實(shí)，在無(wú)散熱片情況下，D類放大器設(shè)計(jì)可向8Ω負(fù)載提供160W功率。一種此類原型采用了IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT與200V D類驅(qū)動(dòng)器IRS20957S（圖3），這種特殊的開(kāi)關(guān)其RDS（on）（max）僅為70mΩ。如果使用散熱器，則放大器可以輸出高達(dá)250W的功率，并且在100W時(shí)達(dá)到非常卓越的0.008％THD+N。從零電壓開(kāi)關(guān)到硬開(kāi)關(guān)可能會(huì)導(dǎo)致THD+N測(cè)量值出現(xiàn)駝峰。工作在500 kHz頻率時(shí)，該設(shè)計(jì)沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的失真變化（發(fā)生在幾瓦情況下），并且硬開(kāi)關(guān)區(qū)域保持非常安靜和清潔。
總結(jié)
多年來(lái)，設(shè)計(jì)人員一直在使用Si MOSFET 進(jìn)行 D 類放大器設(shè)計(jì)，這要?dú)w功于其在性能優(yōu)化方面不斷取得的進(jìn)步。然而，要進(jìn)一步改進(jìn)Si MOSFET功能和特性已經(jīng)非常困難。此外，降低RDS（on）將需要更大的晶片尺寸，導(dǎo)致更難以構(gòu)建緊湊的音頻放大器設(shè)計(jì)。然而，GaN HEMT突破了這一限制，同時(shí)也消除了Qrr，再加上較低的Coss以及在較高開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行的能力，可以創(chuàng)建體積更小、更加緊湊的設(shè)計(jì)，通常情況下無(wú)需使用散熱器。所進(jìn)行的 THD+N 測(cè)量還表明，這項(xiàng)新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)出色的音頻性能。
（來(lái)源：EEWORLD，作者: 英飛凌科技D類音頻首席工程師Jun Honda，系統(tǒng)應(yīng)用工程師Pawan Garg）
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