D類放大器最早是在上世紀(jì)50年代提出（見圖1），其主要競爭技術(shù)包括A類、AB類和B類放大器，這些均在線性區(qū)域中使用晶體管，以盡可能準(zhǔn)確地再現(xiàn)輸入信號(hào)的放大版本，但這些設(shè)計(jì)的理論效率極限均低于80％，實(shí)際效率在 65％以下。對(duì)于D類設(shè)計(jì)，是將輸入信號(hào)用于控制具有脈沖寬度調(diào)制（PWM）的推挽（push/pull）開關(guān)，從而允許它們以導(dǎo)通和關(guān)斷模式工作。結(jié)果是，它們將不在其線性區(qū)域內(nèi)工作，從而使設(shè)計(jì)能夠提供理論上100％的效率以及零失真。

 

圖1：D類放大器設(shè)計(jì)的基本框圖。

 

在發(fā)展初期，直到具有合適器件參數(shù)的硅MOSFET出現(xiàn)之前，業(yè)界沒有可用的器件能夠?qū)崿F(xiàn)D類技術(shù)的全部潛力。但從那時(shí)起，D類放大器取得了很大的成功，特別對(duì)于智能手機(jī)、助聽器和藍(lán)牙耳機(jī)等電池供電的設(shè)備，其中高效率和低散熱都是非常有利的特性。當(dāng)然，電視和汽車等領(lǐng)域使用的更高功率放大器也受益于D類技術(shù)，從而使緊湊型設(shè)計(jì)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(guī)格已經(jīng)為更好利用D類放大器性能鋪平了道路。

 

新開關(guān)技術(shù)滿足D類放大要求

 

D類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關(guān)器件。首先，導(dǎo)通電阻必須盡可能低，以減少I2R損耗。其次，為了支持更高開關(guān)頻率，開關(guān)損耗必須最小。由于功率器件中的損耗，所有類別放大器的效率通常在最低功率輸出時(shí)很差，只有達(dá)到一定的功率輸出，效率才開始提高。

 

D類放大器可以實(shí)現(xiàn)一種所謂多級(jí)（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。隨著音頻轉(zhuǎn)至更高的輸出電平，整個(gè)電壓擺幅可供開關(guān)器件使用。在較低輸出電平下，采用零電壓開關(guān)（ZVS），而在較高輸出電平下，放大器采用硬開關(guān)方法。這兩種操作模式都會(huì)影響開關(guān)產(chǎn)生的損耗。

 

在零電壓開關(guān)模式下，輸出的改變是通過電感電流換向?qū)崿F(xiàn)。因此，可以消除開關(guān)器件中的任何開關(guān)損耗以及所導(dǎo)致的功率損耗。但是，為了避免在兩個(gè)器件之間出現(xiàn)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)開關(guān)周期的導(dǎo)通狀態(tài)之前，上一個(gè)開關(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(dǎo)致音頻信號(hào)失真。空白延遲時(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)的硬開關(guān)意味著在功率器件導(dǎo)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，在開關(guān)斷開后，其中會(huì)積累反向恢復(fù)電荷（Qrr）。在對(duì)置開關(guān)進(jìn)入導(dǎo)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?yàn)闆]有內(nèi)在的體二極管，因此也沒有Qrr。這樣可產(chǎn)生更清晰的開關(guān)波形、經(jīng)過改善的失真系數(shù)和更高的整體效率。

 

不幸的是，使用GaN技術(shù)時(shí)，也需要應(yīng)對(duì)Coss帶來的挑戰(zhàn)。但是，GaN存儲(chǔ)的能量明顯低于Si MOSFET，導(dǎo)致在下一個(gè)導(dǎo)通周期耗散的能量更少。由于這對(duì)高頻損耗影響極大，因此，與Si相比，GaN的性能表現(xiàn)出非常有益的改進(jìn)。最重要的是，轉(zhuǎn)向GaN技術(shù)還可以在較小的裸片尺寸中提供更低的導(dǎo)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(xiàn)更密集、緊湊的音頻解決方案。

 

如何在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)GaN的優(yōu)勢

 

與類似的硅器件一樣，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(xiàn)源極和漏極之間的短路。當(dāng)沒有施加?xùn)艠O偏壓（VGS = 0V）時(shí)，p-GaN柵極停止導(dǎo)通。但應(yīng)當(dāng)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)。沒有體二極管的存在也極大地消除了Si MOSFET中常見的PN結(jié)相關(guān)開關(guān)噪聲，從而能夠提供一種更為“潔凈”的開關(guān)（見圖2）。

 

圖2：GaN HEMT晶體管的結(jié)構(gòu)（左）和卓越的開關(guān)特性，這些使D類放大器具備比Si MOSFET更大的優(yōu)勢（右）。

 

一個(gè)采用D類技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的250W器件是IGT40R070D1 E8220，它可提供70mΩ RDS（on）（max）以及200V D類驅(qū)動(dòng)器IC（IRS20957S），能夠?yàn)?Ω負(fù)載提供160W功率而無需散熱器（見圖3）。在100W時(shí)，THD + N僅僅為0.008％。將開關(guān)設(shè)置為500kHz時(shí)，THD + N測量顯示，在放大器從ZVS轉(zhuǎn)為硬開關(guān)區(qū)域時(shí)（功率只有幾瓦），失真沒有明顯變化，并且硬開關(guān)區(qū)域非常潔凈，很少噪聲。

 

圖3：250W D類放大器設(shè)計(jì)（左）和THD + N測量（右）。 

 

總結(jié)

 

70年前，D類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(tǒng)硅MOSFET性能得到了巨大改進(jìn)，并且在設(shè)計(jì)上不斷取得進(jìn)步，但Qrr和Coss的影響都限制了較高的開關(guān)頻率，限制了效率的進(jìn)一步提高，并最終導(dǎo)致D類設(shè)計(jì)中的音頻失真。要實(shí)現(xiàn)較低的RDS（on），需要較大的芯片尺寸，這也意味著更實(shí)現(xiàn)高能效設(shè)計(jì)需要更大的體積。隨著GaN晶體管技術(shù)的應(yīng)用，消除了Qrr，Coss也大幅度降低，在確保提供最好THD + N結(jié)果的同時(shí)，能夠以更高的開關(guān)頻率運(yùn)行。小巧封裝所固有的低RDS（on）（max）使D類GaN放大器可以在小體積內(nèi)提供高音頻保真度，而無需笨重的散熱解決方案。

 

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

 

 

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