【应用】基于eGaN FETs的150W/8Ω D类音频放大器应用案例
音频放大器再现的声音质量的评判可以参考THD（总谐波失真），阻尼因子（DF）和T-IMD（互调失真）等关键性能参数，受放大器中使用的开关晶体管特性的影响。D类音频放大器通常使用功率MOSFETs，然而，增强型氮化镓（eGaN）FETs相对MOSFET来说具有较低的传导损耗，较快的开关速度和零反向恢复损耗，这些特性能够显著提高声音质量和能量效率，从而使系统中不需使用散热片，形成一个体积更小，成本更低，音质更好的系统。
音乐声通常包含多个频率，所有的频率必须均等放大才不会引起失真影响音质，真正重现声音。很多因素，例如交叉失真，压摆率和晶体管电流增益等因素会使放大器非线性工作。音频应用中的放大器存在一个常见的问题是，负反馈系统的信号延迟使得音频中的快速瞬态信号不能被校正失真。这些导致再现信号中会出现谐波失真和互调失真。但是本文以下将会介绍，与MOSFETs相比，eGaN FETs的特性将使系统性能得到改善，显着提高了D类放大器的整体声音性能。
开环失真和效率
D类音频功率放大器的开环失真的主要来源是放大的数字信号与提供给放大器功率级的低电平数字信号的偏差。这种失真是由于传播延迟和死区时间导致的，而这两种现象是基于（a）将栅极充电至阈值电压（QGTH）所需的栅极至源极电荷，（b）基于导通电荷（QGS2 + QGD ），共源电感（CSI）的慢速转换速率，（c）基于RDS（on）的电阻性下降，（d）基于二极管反向恢复电荷（QRR）的反向恢复延迟和振铃，以及（e）开环功率级的振铃。
与使用MOSFETs的功率级相比，使用eGaN FETs的功率级合成的功率数字信号更加理想，因为eGaN FETs的各个特性中都优于硅MOSFETs，这有助于解决D类功率级的失真问题。造成偏离理想波形的因素是放大器功率损失，因此采用eGaN FETs的D类音频放大器会成为更高效的放大器。
总谐波失真（THD）
总谐波失真（THD）是音频放大器质量的主要衡量标准。THD是在一定功率水平范围内以恒定音频频率（通常为1kHz）测量的。D类放大器中的功率MOSFETs需要相当长的死区时间来防止高侧FETs和低侧FETs之间的“击穿”，并且需要考虑体二极管的反向恢复时间，因为反向恢复振荡会增加额外的噪声和失真。由于eGaN FETs的开关速度比功率MOSFETs快很多倍，并且没有任何反向恢复电荷，因此死区时间（通常硅功率MOSFETs为25ns）可以减少80％，达到5ns或更少。
THD还受FETs开关和延迟时间的影响。在具有接近的RDS（on）的条件下，与硅MOSFETs相比，eGaN FETs的栅极电荷QGS是明显更低的。这意味着导通和关断延迟以及eGaN FETs的上升和下降时间将更快，并且信号失真将会更小。图1表示功率MOSFETs和eGaN FETs的典型的开关波形，说明eGaN FETs具有更快的开关速度和更小的二极管恢复现象。
图1：功率MOSFETs和eGaN FETs的典型的开关波形
瞬态互调失真（T-IMD）
第二种类型的失真是瞬态互调失真（T-IMD），产生的原因是引入原始音频中不存在的频率。对于功率MOSFETs来说，较高RDS（on），QGD和QGS以及更长的死区时间会导致更高的开环阻抗，因此需要更多的反馈来提高音频质量。过多的反馈限制了带宽，并引入了互调失真。因此，eGaN FETs的低导通电阻和低电容以及低死区时间可实现更简单和更轻的反馈，从而大幅降低T-IMD以及提高D类系统的效率。
D类音频放大器应用示例
为了演示D类放大器应用中eGaN FETs的优势，采用EPC公司推出的EPC9106音频放大演示系统，EPC9106演示板是150W/8Ω的D类音频放大器的参考设计。该系统演示板采用桥接负载（BTL）设计。每个通道都设计为在8Ω范围内提供150W的功率，在4Ω负载范围内提供250W的功率，当使用±27V标称电源供电时，THD小于0.1％。
图2: EPC9106音频放大器演示板
如图3所示，eGaN FETs具有更快的开关速度，更短的死区时间以及无二极管恢复功能，可以实现非常低的THD + N，同时最大限度地降低T-IMD和放大器的EMI辐射。
图3：输出 VS. THD + N
此外，eGaN FETs的损耗非常小，可以完全不采用散热器。图4表示了基于EPC2016 eGaN FET的D类功率转换器的，向一个8Ω扬声器输送150W以及4Ω扬声器输送250W时的效率。
图4：基于EPC2016 eGaN FET的D类功率转换器的效率
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