E類功率放大器：卓越性能的波形工程

E類射頻放大器設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生具有特定特性的開(kāi)關(guān)波形。在本文中，我們討論了這些波形的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

從某種意義上說(shuō)，功率放大器設(shè)計(jì)是一門理解和整形波形的藝術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)滿足其他規(guī)范的可接受水平，如輸出功率、線性度和功率增益。例如，E類功率放大器通過(guò)使用專門設(shè)計(jì)的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)來(lái)塑造開(kāi)關(guān)電壓和電流波形，以實(shí)現(xiàn)效率最大化。

我們?cè)谏弦黄恼履┪彩状慰吹降膱D1顯示了E類放大器的典型開(kāi)關(guān)波形。電壓和電流的轉(zhuǎn)變?cè)跁r(shí)間上彼此錯(cuò)開(kāi)，導(dǎo)致波形不重疊。

E類放大器中的典型開(kāi)關(guān)電流和電壓波形。

圖1.E類射頻功率放大器中的典型開(kāi)關(guān)電流（頂部）和電壓（底部）波形。圖片由Steve Arar提供

請(qǐng)注意，上述波形是典型的，并不理想。在本文中，我們將探討E類放大器最佳波形的特性，如圖2所示。在深入研究了這些波形的可取之處之后，我們將討論一個(gè)重要的限制，這個(gè)限制使得它們幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

E類射頻功率放大器的目標(biāo)電流和電壓波形。 

圖2:E類射頻功率放大器的目標(biāo)電流（頂部）和電壓（底部）波形。圖片由Nathan O.Sokal提供

讓我們從檢查這些波形如何在OFF到ON和ON到OFF轉(zhuǎn)換期間防止功率損失開(kāi)始。

目標(biāo)波形的重要特征

在這些波形中，在開(kāi)關(guān)接通之前，開(kāi)關(guān)兩端的電壓降至零（Vsw=0）。在開(kāi)關(guān)接通的那一刻，電壓的斜率為零（dVsw/dt=0）。同樣，在設(shè)備關(guān)閉之前，通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流降至零（Isw=0）。在關(guān)閉時(shí)刻，我們有Isw=0和dIsw/dt=0。

消除開(kāi)啟轉(zhuǎn)換期間的電源損失

寄生電容不可避免地會(huì)與實(shí)際開(kāi)關(guān)并聯(lián)出現(xiàn)。由于電壓降至Vsw=0，當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，這些電容不充電。這有效地消除了因放電這些電容而導(dǎo)致的功率損失。

零斜率的重要性可能并不那么明顯。然而，條件Vsw=0和dVsw/dt=0意味著Vsw在開(kāi)關(guān)接通時(shí)刻之前保持在0V一段時(shí)間，從而確保了開(kāi)關(guān)可以接通而不會(huì)造成功率損失的間隔。因此，放大器的輕微失諧不會(huì)顯著降低效率。對(duì)于那些有興趣并可以訪問(wèn)IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)的人來(lái)說(shuō)，Nathan O.Sokal和Alan D.Sokal在“E類——一類新型高效調(diào)諧單端開(kāi)關(guān)功率放大器”中更詳細(xì)地介紹了零斜率條件的重要性。

同樣值得注意的是，一旦開(kāi)關(guān)打開(kāi)，E類放大器中的開(kāi)關(guān)電流就會(huì)從零平穩(wěn)上升。由于實(shí)際晶體管的dI/dt能力有限，因此開(kāi)關(guān)電流從零上升會(huì)縮短過(guò)渡時(shí)間。

最后，當(dāng)晶體管從截止?fàn)顟B(tài)切換到完全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其電導(dǎo)從零逐漸增加。另一種思考方式是，開(kāi)關(guān)電阻（R）在完全接通時(shí)減小。由于電阻在電流逐漸增加的同時(shí)逐漸減小，I2R功率損耗最小化。

當(dāng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟轉(zhuǎn)換緩慢時(shí)，這尤其有用。我們可以預(yù)期，滿足Vsw=0和dVsw/dt=0條件的E類放大器即使在開(kāi)啟過(guò)渡時(shí)間包含高達(dá)30%的RF周期時(shí)，也會(huì)有較小的I2R功率損耗。

消除關(guān)閉轉(zhuǎn)換期間的電源損失

我們上面提到過(guò)，在設(shè)備關(guān)閉之前，通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流降至零（Isw=0）。這可以防止與開(kāi)關(guān)串聯(lián)出現(xiàn)的不可避免的寄生電感發(fā)生突然的電流變化。電流波形的這種跳躍將導(dǎo)致關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間的功率損失，我們稍后將對(duì)此進(jìn)行討論。

開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)刻的條件Isw=0和dIsw/dt=0意味著Isw在該時(shí)刻之前的一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到0A。與OFF到ON轉(zhuǎn)換期間的電壓條件一樣，這降低了放大器輕微失諧降低效率的程度。

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波形的局限性

Bela Molnar的論文“單端開(kāi)關(guān)模式調(diào)諧（E類）功率放大器可實(shí)現(xiàn)波形的基本限制”證明，圖2中的目標(biāo)波形在實(shí)際的E類放大器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。Molnar表明，如果電路要向負(fù)載提供非零輸出功率，則不可能在開(kāi)關(guān)的關(guān)斷和接通轉(zhuǎn)換時(shí)都有零電壓和零電流。

為了具有非零輸出功率，我們需要電壓和/或電流波形中的跳躍不連續(xù)性。這就是為什么圖1中提供的典型E類波形（其中在開(kāi)關(guān)時(shí)刻Vsw=0）在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)顯示電流的跳躍不連續(xù)性。讓我們來(lái)看看這是如何導(dǎo)致功率損失的。

關(guān)斷過(guò)渡過(guò)程中非零電流的影響

在繼續(xù)之前，請(qǐng)注意本節(jié)包含大量的理論數(shù)學(xué)。關(guān)鍵的結(jié)論是，如果開(kāi)關(guān)串聯(lián)有電感，則開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)刻的非零開(kāi)關(guān)電流會(huì)導(dǎo)致功率損失。如果你對(duì)這背后的微積分感興趣，請(qǐng)繼續(xù)閱讀——否則，你可能想跳到本節(jié)的末尾。

至此，讓我們繼續(xù)考慮圖3中的簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)模式放大器。在這個(gè)電路圖中，L2是與開(kāi)關(guān)串聯(lián)出現(xiàn)的工作頻率下的有效電感。L1近似于RF處的開(kāi)路。

電感L₂與開(kāi)關(guān)串聯(lián)的簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)模式功率放大器的電路圖。

圖3.一種簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)模式功率放大器，電感L2與開(kāi)關(guān)串聯(lián)。圖片由Steve Arar提供

假設(shè)圖3中的開(kāi)關(guān)在t=t0時(shí)關(guān)閉。此時(shí)的開(kāi)關(guān)電流和電壓波形如圖4所示。

通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流波形和開(kāi)關(guān)兩端的電壓波形。

圖4.通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流（頂部）和開(kāi)關(guān)兩端的電壓（底部）。圖片由Steve Arar提供

在上圖中，通過(guò)電感器的電流在t0之前具有非零值I0。在t=t0時(shí)，電流仍為I0；t0+之后，它為零。電感器中的電流不能瞬間改變，除非電路中施加或支持脈沖電壓——狄拉克δ函數(shù)（t）。這可以通過(guò)注意到單位沖激函數(shù)δ（t）隨時(shí)間的積分是單位階躍函數(shù)（波形中的跳躍）來(lái)理解。

換句話說(shuō)，對(duì)具有跳躍不連續(xù)性的波形進(jìn)行微分會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)數(shù)波形內(nèi)的脈沖函數(shù)。由于電感器兩端的電壓（v）與其電流的導(dǎo)數(shù)成正比：

方程式1

我們得出結(jié)論，電感器電流的跳躍會(huì)導(dǎo)致電感器電壓波形中的脈沖函數(shù)。請(qǐng)注意，我們只對(duì)電路在切換時(shí)刻（t=t0）的行為感興趣。t=t0后的電壓波形由負(fù)載網(wǎng)絡(luò)決定，這是另一天的主題。

從方程1可以看出，從I0到0A的跳躍對(duì)應(yīng)于電感器兩端振幅為L(zhǎng)I0的電壓脈沖。假設(shè)整個(gè)電壓尖峰出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)兩端，我們得到圖4下半部分所示的電壓波形。在該曲線中，箭頭終止的垂直線示出了振幅LI0的脈沖函數(shù)。

為了計(jì)算t=t0時(shí)的瞬時(shí)功率損耗，我們需要知道開(kāi)關(guān)電壓和電流。這兩個(gè)量的乘積給出了功率損耗：

方程式2

從上面的討論中，我們知道Vsw等于LI0δ（t–t0）。但是，我們?nèi)匀恍枰业絀sw。

由于開(kāi)關(guān)電流在t=t0時(shí)從I0變?yōu)榱?，我們可以將此時(shí)的Isw描述為不連續(xù)點(diǎn)處左側(cè)和右側(cè)極限的平均值。因此，我們有：

方程式3

將方程3代入方程2，我們得到t=t0時(shí)開(kāi)關(guān)中消耗的瞬時(shí)功率：

方程式4

將該值除以一個(gè)RF周期的持續(xù)時(shí)間（T），得出開(kāi)關(guān)中消耗的平均功率：

方程式5

其中f是開(kāi)關(guān)頻率。

E類零電流開(kāi)關(guān)放大器

我們一直在研究的電路被稱為E類零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）放大器。還有E類零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）放大器，之所以這樣稱呼，是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂_(kāi)關(guān)時(shí)刻具有零電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流波形不會(huì)出現(xiàn)跳躍，而當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電壓波形會(huì)出現(xiàn)跳躍。如圖5所示。

E類波形在開(kāi)關(guān)接通時(shí)刻具有電壓跳躍不連續(xù)性。

圖5.E類波形在開(kāi)關(guān)接通時(shí)刻具有電壓跳躍不連續(xù)性。圖片由Steve Arar提供

ZCS放大器在實(shí)際應(yīng)用中通常不如ZVS放大器有吸引力，尤其是在高頻下，因?yàn)樗鼈冃枰粋€(gè)電容可以忽略不計(jì)的開(kāi)關(guān)。如果開(kāi)關(guān)電容可感知，當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電壓的突然變化將導(dǎo)致功率損失。

總結(jié)

在下一篇文章中，我們將研究E類放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和瞬態(tài)響應(yīng)。然后，我們將復(fù)習(xí)一些設(shè)計(jì)方程，這些方程將使我們能夠輕松地為E級(jí)階段選擇組件值。請(qǐng)注意，我們的重點(diǎn)將再次放在ZVS放大器上，盡管我們可能會(huì)在本系列文章的后面回到ZCS電路。