氮化鎵器件在D類音頻功放中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

本文檔介紹了D類音頻功放的典型設(shè)計(jì)，概述了氮化鎵器件在D類音頻功放中的基礎(chǔ)應(yīng)用，并簡(jiǎn)單介紹了氮化鎵器件在D類音頻功放設(shè)計(jì)中，相較于硅基器件所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

一 D類音頻功放的典型設(shè)計(jì)

1. 什么是D類音頻功率放大器？

D類功放最早由英國(guó)科學(xué)家Alec Reeves于1950年發(fā)明。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，D類功率放大器就是一種電子放大器，也稱為功率開(kāi)關(guān)放大器，工作于脈寬調(diào)制，它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖流。D類功率放大器的輸出晶體管級(jí)作為電子開(kāi)關(guān)運(yùn)行，并且沒(méi)有像其他放大器那樣的線性增益。D類功率放大器通過(guò)接收傳入的模擬輸入信號(hào)并生成PWM或PDM 開(kāi)始工作。然后它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖流。因此，可以說(shuō)一個(gè)典型的D類功放由兩個(gè)輸出MOSFET、一個(gè)脈寬調(diào)制器和一個(gè)外部低通濾波器組成，用于恢復(fù)放大的音頻。

圖1. 不同類型的音頻功率放大器之間效率與失真表現(xiàn)的對(duì)比圖

與AB類功率放大器中使用的會(huì)導(dǎo)致功率晶體管能量損失的線性功率調(diào)節(jié)不同，D類放大器使用僅在“開(kāi)”或“關(guān)”兩個(gè)階段工作的開(kāi)關(guān)晶體管。晶體管上幾乎沒(méi)有能量損失，幾乎所有的功率都傳輸?shù)綋Q能器。因此，與A類、B類和AB類放大器相比，D音頻放大器的效率可高達(dá)90-95%，而AB放大器的最大效率僅為60-65%。

2. D類音頻功放的工作原理

D類放大器在開(kāi)始工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列固定幅度的矩形脈沖，它的面積和間隔，或每單位時(shí)間的數(shù)量不同。此外，模擬音頻輸入流的幅度變化也由這些脈沖表示，而且將調(diào)制器時(shí)鐘與輸入的數(shù)字音頻輸入信號(hào)同步也是可行的，因此無(wú)需將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。調(diào)制器的輸出級(jí)通過(guò)交替打開(kāi)和關(guān)閉輸出晶體管來(lái)控制它們的操作。

圖2. 脈寬調(diào)制波形圖示意圖

由于晶體管要么完全“開(kāi)啟”，要么完全“關(guān)閉”，它們?cè)诰€性區(qū)停留的時(shí)間很短，并且在此期間它們的功耗非常低，這是其高效率的主要因素。

二 氮化鎵器件在D類音頻功放應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

開(kāi)門(mén)見(jiàn)山的說(shuō)，氮化鎵開(kāi)關(guān)器件相較于硅基晶體管應(yīng)用于D類音頻功放中所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)主要有以下三點(diǎn)：

●   整體效率更高

●   失真指標(biāo)有所提升

●   開(kāi)關(guān)波形更加清晰

那么氮化鎵開(kāi)關(guān)器件是如何為D類音頻功放帶來(lái)以上三大優(yōu)勢(shì)的呢？

1. 整體效率更高

首先從導(dǎo)通損耗方面考慮，為了達(dá)到D類音頻功放出色的性能表現(xiàn)，需要提供盡可能低的導(dǎo)通電阻，以最大限度地減少導(dǎo)通損耗。 GaN開(kāi)關(guān)器件會(huì)提供比硅基晶體管低得多的導(dǎo)通電阻，并在更小的裸片面積上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

其次，開(kāi)關(guān)損耗是另一個(gè)需要重點(diǎn)考量的因素。 在以中高功率輸出時(shí)，D 類功放效率表現(xiàn)極為高效。 但當(dāng)它處于低功率輸出狀態(tài)時(shí)，由于功率器件中的損耗，效率相較于中高功率輸出要低得多。

為了克服這一挑戰(zhàn)，一些 D 類功放使用兩種工作模式。一旦輸出功率級(jí)達(dá)到預(yù)定的閾值，功放開(kāi)關(guān)管的輸出電壓軌就會(huì)提升，從而提供滿量程的電壓擺幅。 因此為了進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)損耗的影響，可以在低輸出功率級(jí)時(shí)使用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 技術(shù)，在高功率水平時(shí)改為硬開(kāi)關(guān)，利用氮化鎵器件零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)狀態(tài)下極低的開(kāi)關(guān)損耗來(lái)提升低輸出功率時(shí)系統(tǒng)整體的工作效率。

圖3. GaN與Si開(kāi)關(guān)器件在D類音頻功放的應(yīng)用中的效率曲線對(duì)比圖（負(fù)載8歐姆）

由上圖我們可以發(fā)現(xiàn)，GaN開(kāi)關(guān)器件相較于Si類開(kāi)關(guān)器件在D類音頻功放的應(yīng)用中可以提供3%-6%的效率提升，特別是輸出功率在20W - 80W之間時(shí)，效率差異尤為明顯。

2. 失真指標(biāo)有所提升

當(dāng)D類音頻功放以 ZVS 模式運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗得到有效消除，因?yàn)榇藭r(shí)輸出的轉(zhuǎn)換是通過(guò)電感電流換向?qū)崿F(xiàn)的。然而，像其他所有半橋設(shè)計(jì)一樣，我們需要考慮到直通的問(wèn)題，即高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻。 我們通常會(huì)插入一個(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)管在另一個(gè)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)之前完全關(guān)閉。

需要注意的是，此延遲會(huì)影響 PWM 信號(hào)，導(dǎo)致音頻輸出失真，因此目標(biāo)是使其盡可能的短，以保持音頻的保真度。 而該延遲的長(zhǎng)度主要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，但它明顯低于硅基開(kāi)關(guān)器件。因此，較短的消隱時(shí)間可以使得D類音頻功放在使用 GaN作為開(kāi)關(guān)器件時(shí)失真更小。而在專業(yè)音箱領(lǐng)域，細(xì)微的THD差距可以為消費(fèi)者帶來(lái)完全不同的聽(tīng)覺(jué)感受。

圖4. 開(kāi)關(guān)波形比較：GaN FET波形（左）和Si FET波形（右）

3. 開(kāi)關(guān)波形更加清晰

與任何音頻功放一樣，任何 D 類音頻功放性能的重要指標(biāo)是重現(xiàn)音頻信號(hào)的還原度，對(duì)于“開(kāi)關(guān)放大器”系統(tǒng)，例如 D 類音頻功放，主要目標(biāo)之一就是使用“完美”的開(kāi)關(guān)波形。 開(kāi)關(guān)波形越接近“完美”，音頻重現(xiàn)的效果就越接近“完美”。

當(dāng)硅基晶體管用于D類音頻功放中實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能時(shí)，硬開(kāi)關(guān)模式(hard-switching)會(huì)導(dǎo)致在體二極管中積累電荷，因?yàn)楫?dāng)功率器件關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)輸出端的電壓不為零，而后建立的反向恢復(fù)電荷 (Qrr) 需要放電，需要將放電時(shí)間考慮到 PWM 的控制動(dòng)作中。 而在使用GaN的設(shè)計(jì)中，這不再是我們需要考慮的問(wèn)題，因?yàn)镚aN晶體管中沒(méi)有硅基晶體管固有的體二極管，因此沒(méi)有反向恢復(fù)電荷Qrr，使我們可以得到更加清晰的開(kāi)關(guān)波形。

圖5. 電荷相關(guān)參數(shù)對(duì)Si FET和GaN FET帶來(lái)的負(fù)面影響

通過(guò)上圖我們可以清晰的看到，反向恢復(fù)電荷(Qrr)以及Cgs和Cgd為硅基開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)波形的還原帶來(lái)了較為嚴(yán)重的負(fù)面影響，而得益于GaN開(kāi)關(guān)器件中不存在反向恢復(fù)電荷(Qrr)以及非常低的Cgs和Cgd，此類電荷參數(shù)所帶來(lái)的負(fù)面影響非常有限。

三 總結(jié)

多年來(lái)，硅基開(kāi)關(guān)器件為D類音頻功放的設(shè)計(jì)人員提供了卓越的服務(wù)，這要?dú)w功于在優(yōu)化其性能方面的不斷進(jìn)步。然而，要在它們的特性上取得進(jìn)一步的提升十分具有挑戰(zhàn)性。此外，導(dǎo)通電阻RDS(on)的進(jìn)一步降低導(dǎo)致芯片尺寸更大，從而使構(gòu)建緊湊型音頻功放的設(shè)計(jì)變得更加困難。然而，GaN開(kāi)關(guān)器件突破了這一限制，同時(shí)也消除了 Qrr，再加上它們的 Coss 降低以及能夠在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，意味著可以輕松構(gòu)建體積更小，更緊湊的設(shè)計(jì)。由此產(chǎn)生的 THD+N 測(cè)量值還表明這項(xiàng)新技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)卓越的音頻性能。

作者：Remy Zhang