【導讀】本文檔介紹了D類音頻功放的典型設(shè)計，概述了氮化鎵器件在D類音頻功放中的基礎(chǔ)應(yīng)用，并簡單介紹了氮化鎵器件在D類音頻功放設(shè)計中，相較于硅基器件所帶來的優(yōu)勢。
一 D類音頻功放的典型設(shè)計
1. 什么是D類音頻功率放大器？
D類功放最早由英國科學家Alec Reeves于1950年發(fā)明。簡單來說，D類功率放大器就是一種電子放大器，也稱為功率開關(guān)放大器，工作于脈寬調(diào)制，它將輸入信號轉(zhuǎn)換為脈沖流。D類功率放大器的輸出晶體管級作為電子開關(guān)運行，并且沒有像其他放大器那樣的線性增益。D類功率放大器通過接收傳入的模擬輸入信號并生成PWM或PDM 開始工作。然后它將輸入信號轉(zhuǎn)換為脈沖流。因此，可以說一個典型的D類功放由兩個輸出MOSFET、一個脈寬調(diào)制器和一個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)的對比圖
與AB類功率放大器中使用的會導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”或“關(guān)”兩個階段工作的開關(guān)晶體管。晶體管上幾乎沒有能量損失，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類放大器在開始工作時會產(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)制器時鐘與輸入的數(shù)字音頻輸入信號同步也是可行的，因此無需將數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。調(diào)制器的輸出級通過交替打開和關(guān)閉輸出晶體管來控制它們的操作。
圖2. 脈寬調(diào)制波形圖示意圖
由于晶體管要么完全“開啟”，要么完全“關(guān)閉”，它們在線性區(qū)停留的時間很短，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
開門見山的說，氮化鎵開關(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的優(yōu)勢主要有以下三點：
● 整體效率更高
● 失真指標有所提升
● 開關(guān)波形更加清晰
那么氮化鎵開關(guān)器件是如何為D類音頻功放帶來以上三大優(yōu)勢的呢？
1. 整體效率更高
首先從導通損耗方面考慮，為了達到D類音頻功放出色的性能表現(xiàn)，需要提供盡可能低的導通電阻，以最大限度地減少導通損耗。 GaN開關(guān)器件會提供比硅基晶體管低得多的導通電阻，并在更小的裸片面積上實現(xiàn)這一點。
其次，開關(guān)損耗是另一個需要重點考量的因素。 在以中高功率輸出時，D 類功放效率表現(xiàn)極為高效。 但當它處于低功率輸出狀態(tài)時，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。一旦輸出功率級達到預(yù)定的閾值，功放開關(guān)管的輸出電壓軌就會提升，從而提供滿量程的電壓擺幅。 因此為了進一步降低開關(guān)損耗的影響，可以在低輸出功率級時使用零電壓開關(guān) (ZVS) 技術(shù)，在高功率水平時改為硬開關(guān)，利用氮化鎵器件零電壓開關(guān)(ZVS)狀態(tài)下極低的開關(guān)損耗來提升低輸出功率時系統(tǒng)整體的工作效率。
圖3. GaN與Si開關(guān)器件在D類音頻功放的應(yīng)用中的效率曲線對比圖（負載8歐姆）
由上圖我們可以發(fā)現(xiàn)，GaN開關(guān)器件相較于Si類開關(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，效率差異尤為明顯。
2. 失真指標有所提升
當D類音頻功放以 ZVS 模式運行時，開關(guān)損耗得到有效消除，因為此時輸出的轉(zhuǎn)換是通過電感電流換向?qū)崿F(xiàn)的。然而，像其他所有半橋設(shè)計一樣，我們需要考慮到直通的問題，即高側(cè)和低側(cè)開關(guān)同時導通的時刻。 我們通常會插入一個稱為消隱時間(Blanking time)的短延遲，以確保其中一個開關(guān)管在另一個開關(guān)管打開之前完全關(guān)閉。
需要注意的是，此延遲會影響 PWM 信號，導致音頻輸出失真，因此目標是使其盡可能的短，以保持音頻的保真度。 而該延遲的長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關(guān)器件。因此，較短的消隱時間可以使得D類音頻功放在使用 GaN作為開關(guān)器件時失真更小。而在專業(yè)音箱領(lǐng)域，細微的THD差距可以為消費者帶來完全不同的聽覺感受。
圖4. 開關(guān)波形比較：GaN FET波形（左）和Si FET波形（右）
3. 開關(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是重現(xiàn)音頻信號的還原度，對于“開關(guān)放大器”系統(tǒng)，例如 D 類音頻功放，主要目標之一就是使用“完美”的開關(guān)波形。 開關(guān)波形越接近“完美”，音頻重現(xiàn)的效果就越接近“完美”。
當硅基晶體管用于D類音頻功放中實現(xiàn)開關(guān)功能時，硬開關(guān)模式(hard-switching)會導致在體二極管中積累電荷，因為當功率器件關(guān)閉和打開時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，需要將放電時間考慮到 PWM 的控制動作中。 而在使用GaN的設(shè)計中，這不再是我們需要考慮的問題，因為GaN晶體管中沒有硅基晶體管固有的體二極管，因此沒有反向恢復(fù)電荷Qrr，使我們可以得到更加清晰的開關(guān)波形。
圖5. 電荷相關(guān)參數(shù)對Si FET和GaN FET帶來的負面影響
通過上圖我們可以清晰的看到，反向恢復(fù)電荷(Qrr)以及Cgs和Cgd為硅基開關(guān)器件的開關(guān)波形的還原帶來了較為嚴重的負面影響，而得益于GaN開關(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)所帶來的負面影響非常有限。
三 總結(jié)
多年來，硅基開關(guān)器件為D類音頻功放的設(shè)計人員提供了卓越的服務(wù)，這要歸功于在優(yōu)化其性能方面的不斷進步。然而，要在它們的特性上取得進一步的提升十分具有挑戰(zhàn)性。此外，導通電阻RDS(on)的進一步降低導致芯片尺寸更大，從而使構(gòu)建緊湊型音頻功放的設(shè)計變得更加困難。然而，GaN開關(guān)器件突破了這一限制，同時也消除了 Qrr，再加上它們的 Coss 降低以及能夠在更高的開關(guān)頻率下運行，意味著可以輕松構(gòu)建體積更小，更緊湊的設(shè)計。由此產(chǎn)生的 THD+N 測量值還表明這項新技術(shù)可以實現(xiàn)卓越的音頻性能。
作者：Remy Zhang
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