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          氮化鎵器件在D類音頻功放中的應(yīng)用及優(yōu)勢

          作者: 時(shí)間:2023-05-08 來源:TI 收藏

          本文檔介紹了D類的典型設(shè)計(jì),概述了器件在D類中的基礎(chǔ)應(yīng)用,并簡單介紹了器件在D類設(shè)計(jì)中,相較于硅基器件所帶來的優(yōu)勢。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202305/446279.htm

          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類功放最早由英國科學(xué)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(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖流。D類功率放大器的輸出晶體管級(jí)作為電子開關(guān)運(yùn)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(hào)并生成PWM或PDM 開始工作。然后它將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖流。因此,可以說一個(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。

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          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(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”或“關(guān)”兩個(gè)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(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)通過交替打開和關(guān)閉輸出晶體管來控制它們的操作。

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          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(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。

          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(diǎn):

          ●   整體效率更高

          ●   失真指標(biāo)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(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)使用零電壓開關(guān) (ZVS) 技術(shù),在高功率水平時(shí)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(shí)系統(tǒng)整體的工作效率。

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          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(fù)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(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題,即高側(cè)和低側(cè)開關(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)開關(guān)管在另一個(gè)開關(guān)管打開之前完全關(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(shí)間可以使得D類音頻功放在使用 GaN作為開關(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)者帶來完全不同的聽覺感受。

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          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(biāo)是重現(xiàn)音頻信號(hào)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(biāo)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(dāng)硅基晶體管用于D類音頻功放中實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能時(shí),硬開關(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題,因?yàn)镚aN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。

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          圖5. 電荷相關(guān)參數(shù)對Si FET和GaN FET帶來的負(fù)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(yán)重的負(fù)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(fù)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(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



          關(guān)鍵詞: TI 氮化鎵 音頻功放

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