作者：英飛凌科技 - Jun Honda, Lead Principal Engineer for Class D Audio and Pawan Garg, System Application Engineer
音頻是一個(gè)復雜的應用，尤其是對于發(fā)燒友領(lǐng)域各個(gè)層面的需求。最高端的音頻設備通常都價(jià)格高昂，不同類(lèi)型的音頻放大器吸引了眾多用戶(hù)的追求，他們相信其選擇可以最好地再現播放原始錄音的真實(shí)含義。盡管在各種發(fā)燒友論壇上大家對各種放大器設計的優(yōu)缺點(diǎn)討論很多，但在許多應用領(lǐng)域中，能效起著(zhù)非常重要作用。
D類(lèi)放大器最早是在上世紀50年代提出（見(jiàn)圖1），其主要競爭技術(shù)包括A類(lèi)、AB類(lèi)和B類(lèi)放大器，這些均在線(xiàn)性區域中使用晶體管，以盡可能準確地再現輸入信號的放大版本，但這些設計的理論效率極限均低于80％，實(shí)際效率在 65％以下。對于D類(lèi)設計，是將輸入信號用于控制具有脈沖寬度調制（PWM）的推挽（push/pull）開(kāi)關(guān)，從而允許它們以導通和關(guān)斷模式工作。結果是，它們將不在其線(xiàn)性區域內工作，從而使設計能夠提供理論上100％的效率以及零失真。
圖1：D類(lèi)放大器設計的基本框圖。
在發(fā)展初期，直到具有合適器件參數的硅MOSFET出現之前，業(yè)界沒(méi)有可用的器件能夠實(shí)現D類(lèi)技術(shù)的全部潛力。但從那時(shí)起，D類(lèi)放大器取得了很大的成功，特別對于智能手機、助聽(tīng)器和藍牙耳機等電池供電的設備，其中高效率和低散熱都是非常有利的特性。當然，電視和汽車(chē)等領(lǐng)域使用的更高功率放大器也受益于D類(lèi)技術(shù)，從而使緊湊型設計很少需要甚至幾乎不需散熱器。
最近，基于氮化鎵（GaN）技術(shù)的高電子遷移率晶體管（HEMT）技術(shù)規格已經(jīng)為更好利用D類(lèi)放大器性能鋪平了道路。
新開(kāi)關(guān)技術(shù)滿(mǎn)足D類(lèi)放大要求
D類(lèi)放大器能夠提供高效率和低失真能力，這主要取決于所選的開(kāi)關(guān)器件。首先，導通電阻必須盡可能低，以減少I(mǎi)2R損耗。其次，為了支持更高開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)損耗必須最小。由于功率器件中的損耗，所有類(lèi)別放大器的效率通常在最低功率輸出時(shí)很差，只有達到一定的功率輸出，效率才開(kāi)始提高。
D類(lèi)放大器可以實(shí)現一種所謂多級（multilevel）的技術(shù)，其中在以較低音量輸出音頻時(shí)會(huì )限制最大輸出電壓，該方法有助于在低功率輸出時(shí)提高效率。隨著(zhù)音頻轉至更高的輸出電平，整個(gè)電壓擺幅可供開(kāi)關(guān)器件使用。在較低輸出電平下，采用零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS），而在較高輸出電平下，放大器采用硬開(kāi)關(guān)方法。這兩種操作模式都會(huì )影響開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的損耗。
在零電壓開(kāi)關(guān)模式下，輸出的改變是通過(guò)電感電流換向實(shí)現。因此，可以消除開(kāi)關(guān)器件中的任何開(kāi)關(guān)損耗以及所導致的功率損耗。但是，為了避免在兩個(gè)器件之間出現擊穿（shoot-through），必須增加一個(gè)小的空白延遲（blanking delay），以確保在進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的導通狀態(tài)之前，上一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的關(guān)斷狀態(tài)得以保持。這會(huì )使輸出波形與PWM輸出所期望的波形有所不同，從而導致音頻信號失真�？瞻籽舆t時(shí)間取決于所用功率器件的輸出電容Coss。與Si MOSFET相比，GaN晶體管的Coss明顯較低，這意味著(zhù)可以將空白延遲時(shí)間保持在最低水平，從而將失真降至最低。
高功率輸出時(shí)的硬開(kāi)關(guān)意味著(zhù)在功率器件導通或關(guān)斷時(shí)輸出端的電壓為非零。Si MOSFET具有一個(gè)體二極管，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，其中會(huì )積累反向恢復電荷（Qrr）。在對置開(kāi)關(guān)進(jìn)入導通狀態(tài)之前，需要將其放電，而這些都需要一些時(shí)間。GaN晶體管在這里則有很大不同，因為沒(méi)有內在的體二極管，因此也沒(méi)有Qrr。這樣可產(chǎn)生更清晰的開(kāi)關(guān)波形、經(jīng)過(guò)改善的失真系數和更高的整體效率。
不幸的是，使用GaN技術(shù)時(shí)，也需要應對Coss帶來(lái)的挑戰。但是，GaN存儲的能量明顯低于Si MOSFET，導致在下一個(gè)導通周期耗散的能量更少。由于這對高頻損耗影響極大，因此，與Si相比，GaN的性能表現出非常有益的改進(jìn)。最重要的是，轉向GaN技術(shù)還可以在較小的裸片尺寸中提供更低的導通電阻，從而使工程師除了可以提供更好的音頻質(zhì)量外，還可以實(shí)現更密集、緊湊的音頻解決方案。
如何在設計中體現GaN的優(yōu)勢
與類(lèi)似的硅器件一樣，GaN HEMT器件也具有柵極、漏極和源極端接。二維電子氣（2DEG）層可以提供了一個(gè)電子池，能以非常低電阻實(shí)現源極和漏極之間的短路。當沒(méi)有施加柵極偏壓（VGS = 0V）時(shí)，p-GaN柵極停止導通。但應當注意，GaN HEMT與Si MOSFET的不同在于它們是雙向的，并且如果漏極電壓變得低于源極電壓，將允許反向電流流動(dòng)。沒(méi)有體二極管的存在也極大地消除了Si MOSFET中常見(jiàn)的PN結相關(guān)開(kāi)關(guān)噪聲，從而能夠提供一種更為“潔凈”的開(kāi)關(guān)（見(jiàn)圖2）。
圖2：GaN HEMT晶體管的結構（左）和卓越的開(kāi)關(guān)特性，這些使D類(lèi)放大器具備比Si MOSFET更大的優(yōu)勢（右）。
一個(gè)采用D類(lèi)技術(shù)設計實(shí)現的250W器件是IGT40R070D1 E8220，它可提供70mΩ RDS（on）（max）以及200V D類(lèi)驅動(dòng)器IC（IRS20957S），能夠為8Ω負載提供160W功率而無(wú)需散熱器（見(jiàn)圖3）。在100W時(shí)，THD + N僅僅為0.008％。將開(kāi)關(guān)設置為500kHz時(shí)，THD + N測量顯示，在放大器從ZVS轉為硬開(kāi)關(guān)區域時(shí)（功率只有幾瓦），失真沒(méi)有明顯變化，并且硬開(kāi)關(guān)區域非常潔凈，很少噪聲。
圖3：250W D類(lèi)放大器設計（左）和THD + N測量（右）。
總結
70年前，D類(lèi)放大器概念的引入提供了一種前所未聞，但在理論上非常合理的音頻保真度以及出色的效率。雖然傳統硅MOSFET性能得到了巨大改進(jìn)，并且在設計上不斷取得進(jìn)步，但Qrr和Coss的影響都限制了較高的開(kāi)關(guān)頻率，限制了效率的進(jìn)一步提高，并最終導致D類(lèi)設計中的音頻失真。要實(shí)現較低的RDS（on），需要較大的芯片尺寸，這也意味著(zhù)更實(shí)現高能效設計需要更大的體積。隨著(zhù)GaN晶體管技術(shù)的應用，消除了Qrr，Coss也大幅度降低，在確保提供最好THD + N結果的同時(shí)，能夠以更高的開(kāi)關(guān)頻率運行。小巧封裝所固有的低RDS（on）（max）使D類(lèi)GaN放大器可以在小體積內提供高音頻保真度，而無(wú)需笨重的散熱解決方案。
