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我们能获得更好的音频放大器吗?是的,用氮化镓!

关键词:音频放大器 氮化镓 放大器

时间:2020-04-23 10:50:47      来源:英飞凌

音频是一个复杂的应用,尤其是对于发烧友领域各个层面的需求。最高端的音频设备通常都价格高昂,不同类型的音频放大器吸引了众多用户的追求,他们相信其选择可以最好地再现播放原始录音的真实含义。尽管在各种发烧友论坛上大家对各种放大器设计的优缺点讨论很多,但在许多应用领域中,能效起着非常重要作用。

作者:英飞凌科技 -  Jun Honda, Lead Principal Engineer for Class D Audio and Pawan Garg, System Application Engineer 

音频是一个复杂的应用,尤其是对于发烧友领域各个层面的需求。最高端的音频设备通常都价格高昂,不同类型的音频放大器吸引了众多用户的追求,他们相信其选择可以最好地再现播放原始录音的真实含义。尽管在各种发烧友论坛上大家对各种放大器设计的优缺点讨论很多,但在许多应用领域中,能效起着非常重要作用。

D类放大器最早是在上世纪50年代提出(见图1),其主要竞争技术包括A类、AB类和B类放大器,这些均在线性区域中使用晶体管,以尽可能准确地再现输入信号的放大版本,但这些设计的理论效率极限均低于80%,实际效率在 65%以下。对于D类设计,是将输入信号用于控制具有脉冲宽度调制(PWM)的推挽(push/pull)开关,从而允许它们以导通和关断模式工作。结果是,它们将不在其线性区域内工作,从而使设计能够提供理论上100%的效率以及零失真。

图1:D类放大器设计的基本框图。

在发展初期,直到具有合适器件参数的硅MOSFET出现之前,业界没有可用的器件能够实现D类技术的全部潜力。但从那时起,D类放大器取得了很大的成功,特别对于智能手机、助听器和蓝牙耳机等电池供电的设备,其中高效率和低散热都是非常有利的特性。当然,电视和汽车等领域使用的更高功率放大器也受益于D类技术,从而使紧凑型设计很少需要甚至几乎不需散热器。

最近,基于氮化镓(GaN)技术的高电子迁移率晶体管(HEMT)技术规格已经为更好利用D类放大器性能铺平了道路。

新开关技术满足D类放大要求

D类放大器能够提供高效率和低失真能力,这主要取决于所选的开关器件。首先,导通电阻必须尽可能低,以减少I2R损耗。其次,为了支持更高开关频率,开关损耗必须最小。由于功率器件中的损耗,所有类别放大器的效率通常在最低功率输出时很差,只有达到一定的功率输出,效率才开始提高。

D类放大器可以实现一种所谓多级(multilevel)的技术,其中在以较低音量输出音频时会限制最大输出电压,该方法有助于在低功率输出时提高效率。随着音频转至更高的输出电平,整个电压摆幅可供开关器件使用。在较低输出电平下,采用零电压开关(ZVS),而在较高输出电平下,放大器采用硬开关方法。这两种操作模式都会影响开关产生的损耗。

在零电压开关模式下,输出的改变是通过电感电流换向实现。因此,可以消除开关器件中的任何开关损耗以及所导致的功率损耗。但是,为了避免在两个器件之间出现击穿(shoot-through),必须增加一个小的空白延迟(blanking delay),以确保在进入下一个开关周期的导通状态之前,上一个开关周期的关断状态得以保持。这会使输出波形与PWM输出所期望的波形有所不同,从而导致音频信号失真。空白延迟时间取决于所用功率器件的输出电容Coss。与Si MOSFET相比,GaN晶体管的Coss明显较低,这意味着可以将空白延迟时间保持在最低水平,从而将失真降至最低。

高功率输出时的硬开关意味着在功率器件导通或关断时输出端的电压为非零。Si MOSFET具有一个体二极管,在开关断开后,其中会积累反向恢复电荷(Qrr)。在对置开关进入导通状态之前,需要将其放电,而这些都需要一些时间。GaN晶体管在这里则有很大不同,因为没有内在的体二极管,因此也没有Qrr。这样可产生更清晰的开关波形、经过改善的失真系数和更高的整体效率。

不幸的是,使用GaN技术时,也需要应对Coss带来的挑战。但是,GaN存储的能量明显低于Si MOSFET,导致在下一个导通周期耗散的能量更少。由于这对高频损耗影响极大,因此,与Si相比,GaN的性能表现出非常有益的改进。最重要的是,转向GaN技术还可以在较小的裸片尺寸中提供更低的导通电阻,从而使工程师除了可以提供更好的音频质量外,还可以实现更密集、紧凑的音频解决方案。

如何在设计中体现GaN的优势

与类似的硅器件一样,GaN HEMT器件也具有栅极、漏极和源极端接。二维电子气(2DEG)层可以提供了一个电子池,能以非常低电阻实现源极和漏极之间的短路。当没有施加栅极偏压(VGS = 0V)时,p-GaN栅极停止导通。但应当注意,GaN HEMT与Si MOSFET的不同在于它们是双向的,并且如果漏极电压变得低于源极电压,将允许反向电流流动。没有体二极管的存在也极大地消除了Si MOSFET中常见的PN结相关开关噪声,从而能够提供一种更为“洁净”的开关(见图2)。

图2:GaN HEMT晶体管的结构(左)和卓越的开关特性,这些使D类放大器具备比Si MOSFET更大的优势(右)。

一个采用D类技术设计实现的250W器件是IGT40R070D1 E8220,它可提供70mΩ RDS(on)(max)以及200V D类驱动器IC(IRS20957S),能够为8Ω负载提供160W功率而无需散热器(见图3)。在100W时,THD + N仅仅为0.008%。将开关设置为500kHz时,THD + N测量显示,在放大器从ZVS转为硬开关区域时(功率只有几瓦),失真没有明显变化,并且硬开关区域非常洁净,很少噪声。 。

图3:250W D类放大器设计(左)和THD + N测量(右)。

总结

70年前,D类放大器概念的引入提供了一种前所未闻,但在理论上非常合理的音频保真度以及出色的效率。虽然传统硅MOSFET性能得到了巨大改进,并且在设计上不断取得进步,但Qrr和Coss的影响都限制了较高的开关频率,限制了效率的进一步提高,并最终导致D类设计中的音频失真。要实现较低的RDS(on),需要较大的芯片尺寸,这也意味着更实现高能效设计需要更大的体积。随着GaN晶体管技术的应用,消除了Qrr,Coss也大幅度降低,在确保提供最好THD + N结果的同时,能够以更高的开关频率运行。小巧封装所固有的低RDS(on)(max)使D类GaN放大器可以在小体积内提供高音频保真度,而无需笨重的散热解决方案。

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