【導讀】傳統的音頻放大技術是一個充滿挑戰的領域，發燒友們對于構成家庭音頻最佳設置的要素有明顯不同意見。對于那些堅持使用經典放大器拓撲架構的用戶，他們的要求主要集中體現在準確的音頻再現方面，而幾乎不考慮解決方案的整體用電效率。
傳統的音頻放大技術是一個充滿挑戰的領域，發燒友們對于構成家庭音頻最佳設置的要素有明顯不同意見。對于那些堅持使用經典放大器拓撲架構的用戶，他們的要求主要集中體現在準確的音頻再現方面，而幾乎不考慮解決方案的整體用電效率。雖然這在家庭音頻環境中完全合理，但在許多其它應用中都要求較高的放大器效率。這或許是為了節省能源，并延長電池壽命，或是為了減少散熱，從而使產品更致密、更緊湊。
音頻放大器有幾種基本類型，包括A類、AB類和B類，它們都利用其晶體管的線性區域，并以最小失真完美地再現輸入音頻信號。研究表明，這種設計理論上可以實現高達80％的效率，但實際上，它們的效率約為65％或更低。在當今由電池供電的智能手機、數字增強型無繩電信（DECT）手機和藍牙揚聲器等電子產品中，效率低下會對電池壽命產生巨大影響。像在電子行業的大多數其他領域（如電源轉換器）一樣，使用開關技術，而非線性技術的設計方法似乎能夠有望實現突破。
D類放大器首先是在上世紀50年代出現，它使用一對開關器件進行推/挽配置（圖1）。脈沖寬度調制（PWM）信號占空比由輸入音頻信號控制，可確保開關器件處于打開或關斷狀態，從而將其線性區域的操作保持在最低水平。這不僅能夠實現100％的理論效率，而且還具有零失真的潛力。
當時，市場上只有鍺晶體管，但是它經過證明不適合這種開關拓撲架構的需求，因此早期的放大器設計并不成功。直到后來，隨著MOSFET技術的出現，D類設計才得起死回生。如今，此類放大器因其高能效而在各個領域得到廣泛應用。在當今的平板電視和汽車音響控制單元等設計中，緊湊性是一項非常迫切的要求，D類放大器在其中也很受歡迎，因為它通常不需要笨重的散熱器。
基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）是一種新技術，可用作D類設計中的開關器件，并可提供更高的效率和音頻質量。
滿足D類放大器的需求
為了能夠接近D類放大器理論上的高性能，開關器件需要具備低導通電阻，以最大程度地降低I2R損耗。GaN器件具有比Si MOSFET低得多的導通電阻，并且可以通過較小的芯片面積實現。反過來，這種小芯片封裝也可以幫助設計師將更多緊湊型放大器推向市場。
開關損耗是另一個需要充分考慮的因素。在中、高功率輸出時，D類放大器的性能非常出眾。但是，由于功率器件中的損耗，功率輸出最低時的效率也最低。
為了克服這一挑戰，一些D類放大器采用兩種工作模式。在播放低音量音頻時，這種多級技術限制了功率器件可以切換到的輸出電壓。一旦輸出音量達到設定的閾值，開關的輸出電壓軌就會增大，從而可提供完整的電壓擺幅。為了進一步降低開關損耗的影響，在低輸出量時可以使用零電壓開關（ZVS）技術，而在高功率水平時改為硬開關。
當使用Si MOSFET實施時，由于功率器件關斷和導通時輸出的非零電壓，硬開關模式會導致體二極管中產生電荷累積。之后，積累的反向恢復電荷（Qrr）需要放電，這其中需要的時間在PWM控制實施過程中應該考慮。而如果采用GaN進行設計，則沒有這個問題，因為這些晶體管沒有固有的體二極管，因此也就沒有Qrr，這樣可以實現更高的總體效率、改進的失真系數以及更清晰的開關波形。
放大器在零電壓開關模式下工作時，由于輸出的轉變是通過電感電流換向來實現，可有效消除開關中的開關損耗和由此產生的功率損失。然而，與所有半橋設計一樣，需要考慮直通（shoot-through）問題，即高側和低側開關同時導通的現象。通常可以插入一個稱為消隱時間（blanking time）的短延遲，以確保其中一個開關在導通之前另一個開關完全關斷。需要注意的是，該延遲會影響 PWM 信號，導致音頻輸出失真，因此設計中的一個目標是盡可能縮短延遲，以維持音頻保真度。該延遲的長度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，但明顯低于Si MOSFET器件。因此，使用 GaN 時，其較短的消隱時間會導致更小的放大器失真。
盡管上面提到的改進，這種電容中儲存的能量仍有待處理，在下一個導通周期中被消耗掉。但是這些損耗的影響在較高開關頻率下尤其明顯，因此基于 GaN 的設計比 Si放大器具有更高的效率。
如何實現GaN 的優勢
GaN HEMT 晶體管與 Si MOSFET 命名其各個端子的方式完全相同，具有柵極、漏極和源極。借助于柵極和源極之間的二維電子氣體（2DEG），它們實現了極低電阻，由于提供有電子池，因此可有效地實現短路。當不加柵極偏壓（VGS = 0V）時，p-GaN柵極將停止導通。GaN HEMT 是雙向器件，這一點與硅器件不同。因此，如果允許漏極電壓降至源極電壓以下，則可能會產生反向電流。GaN HEMT 晶體管具有潔凈的開關波形，這也是其優勢所在，主要是沒有Si MOSFET中常見的體二極管（圖2）。這是與 PN 結相關的大量開關噪聲的原因。
業界已經證實，在無散熱片情況下，D類放大器設計可向8Ω負載提供160W功率。一種此類原型采用了IGT40R070D1 E8220 GaN HEMT與200V D類驅動器IRS20957S（圖3），這種特殊的開關其RDS（on）（max）僅為70mΩ。如果使用散熱器，則放大器可以輸出高達250W的功率，并且在100W時達到非常卓越的0.008％THD+N。從零電壓開關到硬開關可能會導致THD+N測量值出現駝峰。工作在500 kHz頻率時，該設計沒有表現出明顯的失真變化（發生在幾瓦情況下），并且硬開關區域保持非常安靜和清潔。
總結
多年來，設計人員一直在使用Si MOSFET 進行 D 類放大器設計，這要歸功于其在性能優化方面不斷取得的進步。然而，要進一步改進Si MOSFET功能和特性已經非常困難。此外，降低RDS（on）將需要更大的晶片尺寸，導致更難以構建緊湊的音頻放大器設計。然而，GaN HEMT突破了這一限制，同時也消除了Qrr，再加上較低的Coss以及在較高開關頻率下運行的能力，可以創建體積更小、更加緊湊的設計，通常情況下無需使用散熱器。所進行的 THD+N 測量還表明，這項新技術可以實現出色的音頻性能。
（來源：EEWORLD，作者: 英飛凌科技D類音頻首席工程師Jun Honda，系統應用工程師Pawan Garg）
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