你的位置:首頁 > 互連技術(shù) > 正文

為什么GaN用于D類放大器獨有優(yōu)勢

發(fā)布時間:2020-05-29 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)的音頻放大技術(shù)是一個充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域,發(fā)燒友們對于構(gòu)成家庭音頻最佳設(shè)置的要素有明顯不同意見。對于那些堅持使用經(jīng)典放大器拓撲架構(gòu)的用戶,他們的要求主要集中體現(xiàn)在準確的音頻再現(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)是一個充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域,發(fā)燒友們對于構(gòu)成家庭音頻最佳設(shè)置的要素有明顯不同意見。對于那些堅持使用經(jīng)典放大器拓撲架構(gòu)的用戶,他們的要求主要集中體現(xiàn)在準確的音頻再現(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。研究表明,這種設(shè)計理論上可以實現(xiàn)高達80%的效率,但實際上,它們的效率約為65%或更低。在當今由電池供電的智能手機、數(shù)字增強型無繩電信(DECT)手機和藍牙揚聲器等電子產(chǎn)品中,效率低下會對電池壽命產(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,使用開關(guān)技術(shù),而非線性技術(shù)的設(shè)計方法似乎能夠有望實現(xiàn)突破。
 
D類放大器首先是在上世紀50年代出現(xiàn),它使用一對開關(guān)器件進行推/挽配置(圖1)。脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號占空比由輸入音頻信號控制,可確保開關(guān)器件處于打開或關(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。 
 
為什么GaN用于D類放大器獨有優(yōu)勢
 
當時,市場上只有鍺晶體管,但是它經(jīng)過證明不適合這種開關(guān)拓撲架構(gòu)的需求,因此早期的放大器設(shè)計并不成功。直到后來,隨著MOSFET技術(shù)的出現(xiàn),D類設(shè)計才得起死回生。如今,此類放大器因其高能效而在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在當今的平板電視和汽車音響控制單元等設(shè)計中,緊湊性是一項非常迫切的要求,D類放大器在其中也很受歡迎,因為它通常不需要笨重的散熱器。
 
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)計中的開關(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,并且可以通過較小的芯片面積實現(xiàn)。反過來,這種小芯片封裝也可以幫助設(shè)計師將更多緊湊型放大器推向市場。
 
開關(guān)損耗是另一個需要充分考慮的因素。在中、高功率輸出時,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,這種多級技術(shù)限制了功率器件可以切換到的輸出電壓。一旦輸出音量達到設(shè)定的閾值,開關(guān)的輸出電壓軌就會增大,從而可提供完整的電壓擺幅。為了進一步降低開關(guān)損耗的影響,在低輸出量時可以使用零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù),而在高功率水平時改為硬開關(guān)。
 
當使用Si MOSFET實施時,由于功率器件關(guān)斷和導(dǎo)通時輸出的非零電壓,硬開關(guān)模式會導(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,這其中需要的時間在PWM控制實施過程中應(yīng)該考慮。而如果采用GaN進行設(shè)計,則沒有這個問題,因為這些晶體管沒有固有的體二極管,因此也就沒有Qrr,這樣可以實現(xiàn)更高的總體效率、改進的失真系數(shù)以及更清晰的開關(guān)波形。
 
放大器在零電壓開關(guān)模式下工作時,由于輸出的轉(zhuǎn)變是通過電感電流換向來實現(xiàn),可有效消除開關(guān)中的開關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的功率損失。然而,與所有半橋設(shè)計一樣,需要考慮直通(shoot-through)問題,即高側(cè)和低側(cè)開關(guān)同時導(dǎo)通的現(xiàn)象。通常可以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)在導(dǎo)通之前另一個開關(guān)完全關(guān)斷。需要注意的是,該延遲會影響 PWM 信號,導(dǎo)致音頻輸出失真,因此設(shè)計中的一個目標是盡可能縮短延遲,以維持音頻保真度。該延遲的長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,其較短的消隱時間會導(dǎo)致更小的放大器失真。
 
盡管上面提到的改進,這種電容中儲存的能量仍有待處理,在下一個導(dǎo)通周期中被消耗掉。但是這些損耗的影響在較高開關(guān)頻率下尤其明顯,因此基于 GaN 的設(shè)計比 Si放大器具有更高的效率。
 
如何實現(xiàn)GaN 的優(yōu)勢
 
GaN HEMT 晶體管與 Si MOSFET 命名其各個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),它們實現(xiàn)了極低電阻,由于提供有電子池,因此可有效地實現(xiàn)短路。當不加?xùn)艠O偏壓(VGS = 0V)時,p-GaN柵極將停止導(dǎo)通。GaN HEMT 是雙向器件,這一點與硅器件不同。因此,如果允許漏極電壓降至源極電壓以下,則可能會產(chǎn)生反向電流。GaN HEMT 晶體管具有潔凈的開關(guān)波形,這也是其優(yōu)勢所在,主要是沒有Si MOSFET中常見的體二極管(圖2)。這是與 PN 結(jié)相關(guān)的大量開關(guān)噪聲的原因。

為什么GaN用于D類放大器獨有優(yōu)勢

業(yè)界已經(jīng)證實,在無散熱片情況下,D類放大器設(shè)計可向8Ω負載提供160W功率。一種此類原型采用了IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT與200V D類驅(qū)動器IRS20957S(圖3),這種特殊的開關(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250W的功率,并且在100W時達到非常卓越的0.008%THD+N。從零電壓開關(guān)到硬開關(guān)可能會導(dǎo)致THD+N測量值出現(xiàn)駝峰。工作在500 kHz頻率時,該設(shè)計沒有表現(xiàn)出明顯的失真變化(發(fā)生在幾瓦情況下),并且硬開關(guān)區(qū)域保持非常安靜和清潔。
 
為什么GaN用于D類放大器獨有優(yōu)勢
 
總結(jié)
多年來,設(shè)計人員一直在使用Si MOSFET 進行 D 類放大器設(shè)計,這要歸功于其在性能優(yōu)化方面不斷取得的進步。然而,要進一步改進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。然而,GaN HEMT突破了這一限制,同時也消除了Qrr,再加上較低的Coss以及在較高開關(guān)頻率下運行的能力,可以創(chuàng)建體積更小、更加緊湊的設(shè)計,通常情況下無需使用散熱器。所進行的 THD+N 測量還表明,這項新技術(shù)可以實現(xiàn)出色的音頻性能。
(來源: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)
 
  
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。
 
 
推薦閱讀:
如何在“新基建”的風(fēng)口起飛?這里有10套方法論拿走不謝
從三個方面入手解決開關(guān)電源的噪音
共源JFET放大器分析
第十二屆廣州國際電線電纜及附件展覽會敲定11月新展期
聚焦成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈制造業(yè)融合,助力“甜城智造”
要采購開關(guān)么,點這里了解一下價格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉