【導讀】本文檔介紹了D類(lèi)音頻功放的典型設計，概述了氮化鎵器件在D類(lèi)音頻功放中的基礎應用，并簡(jiǎn)單介紹了氮化鎵器件在D類(lèi)音頻功放設計中，相較于硅基器件所帶來(lái)的優(yōu)勢。
一 D類(lèi)音頻功放的典型設計
1. 什么是D類(lèi)音頻功率放大器？
D類(lèi)功放最早由英國科學(xué)家Alec Reeves于1950年發(fā)明。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，D類(lèi)功率放大器就是一種電子放大器，也稱(chēng)為功率開(kāi)關(guān)放大器，工作于脈寬調制，它將輸入信號轉換為脈沖流。D類(lèi)功率放大器的輸出晶體管級作為電子開(kāi)關(guān)運行，并且沒(méi)有像其他放大器那樣的線(xiàn)性增益。D類(lèi)功率放大器通過(guò)接收傳入的模擬輸入信號并生成PWM或PDM 開(kāi)始工作。然后它將輸入信號轉換為脈沖流。因此，可以說(shuō)一個(gè)典型的D類(lèi)功放由兩個(gè)輸出MOSFET、一個(gè)脈寬調制器和一個(gè)外部低通濾波器組成，用于恢復放大的音頻。
圖1. 不同類(lèi)型的音頻功率放大器之間效率與失真表現的對比圖
與AB類(lèi)功率放大器中使用的會(huì )導致功率晶體管能量損失的線(xiàn)性功率調節不同，D類(lèi)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到換能器。因此，與A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)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(lèi)音頻功放的工作原理
D類(lèi)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，而且將調制器時(shí)鐘與輸入的數字音頻輸入信號同步也是可行的，因此無(wú)需將數字音頻信號轉換為模擬信號。調制器的輸出級通過(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”，它們在線(xiàn)性區停留的時(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(lèi)音頻功放應用中的優(yōu)勢
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用于D類(lèi)音頻功放中所帶來(lái)的優(yōu)勢主要有以下三點(diǎn)：
● 整體效率更高
● 失真指標有所提升
● 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(lèi)音頻功放帶來(lái)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(lèi)音頻功放出色的性能表現，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(kāi)關(guān)器件會(huì )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(shí)現這一點(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(lèi)功放效率表現極為高效。 但當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，一些 D 類(lèi)功放使用兩種工作模式。一旦輸出功率級達到預定的閾值，功放開(kāi)關(guān)管的輸出電壓軌就會(huì )提升，從而提供滿(mǎn)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)系統整體的工作效率。
圖3. GaN與Si開(kāi)關(guān)器件在D類(lèi)音頻功放的應用中的效率曲線(xiàn)對比圖（負載8歐姆）
由上圖我們可以發(fā)現，GaN開(kāi)關(guān)器件相較于Si類(lèi)開(kāi)關(guān)器件在D類(lèi)音頻功放的應用中可以提供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. 失真指標有所提升
當D類(lèi)音頻功放以 ZVS 模式運行時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗得到有效消除，因為此時(shí)輸出的轉換是通過(guò)電感電流換向實(shí)現的。然而，像其他所有半橋設計一樣，我們需要考慮到直通的問(wèn)題，即高側和低側開(kāi)關(guān)同時(shí)導通的時(shí)刻。 我們通常會(huì )插入一個(gè)稱(chēng)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，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(cháng)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(lèi)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(zhuān)業(yè)音箱領(lǐng)域，細微的THD差距可以為消費者帶來(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(lèi)音頻功放性能的重要指標是重現音頻信號的還原度，對于“開(kāi)關(guān)放大器”系統，例如 D 類(lèi)音頻功放，主要目標之一就是使用“完美”的開(kāi)關(guān)波形。 開(kāi)關(guān)波形越接近“完美”，音頻重現的效果就越接近“完美”。
當硅基晶體管用于D類(lèi)音頻功放中實(shí)現開(kāi)關(guān)功能時(shí)，硬開(kāi)關(guān)模式(hard-switching)會(huì )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(kāi)時(shí)輸出端的電壓不為零，而后建立的反向恢復電荷 (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的設計中，這不再是我們需要考慮的問(wèn)題，因為GaN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)參數對Si FET和GaN FET帶來(lái)的負面影響
通過(guò)上圖我們可以清晰的看到，反向恢復電荷(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)了較為嚴重的負面影響，而得益于GaN開(kāi)關(guān)器件中不存在反向恢復電荷(Qrr)以及非常低的Cgs和Cgd，此類(lèi)電荷參數所帶來(lái)的負面影響非常有限。
三 總結
多年來(lái)，硅基開(kāi)關(guān)器件為D類(lèi)音頻功放的設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(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性。此外，導通電阻RDS(on)的進(jìn)一步降低導致芯片尺寸更大，從而使構建緊湊型音頻功放的設計變得更加困難。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)頻率下運行，意味著(zhù)可以輕松構建體積更小，更緊湊的設計。由此產(chǎn)生的 THD+N 測量值還表明這項新技術(shù)可以實(shí)現卓越的音頻性能。
作者：Remy Zhang
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