【導讀】本文檔介紹了D類音頻功放的典型設計，概述了氮化鎵器件在D類音頻功放中的基礎應用，并簡單介紹了氮化鎵器件在D類音頻功放設計中，相較于硅基器件所帶來的優勢。
一 D類音頻功放的典型設計
1. 什么是D類音頻功率放大器？
D類功放最早由英國科學家Alec Reeves于1950年發明。簡單來說，D類功率放大器就是一種電子放大器，也稱為功率開關放大器，工作于脈寬調制，它將輸入信號轉換為脈沖流。D類功率放大器的輸出晶體管級作為電子開關運行，并且沒有像其他放大器那樣的線性增益。D類功率放大器通過接收傳入的模擬輸入信號并生成PWM或PDM 開始工作。然后它將輸入信號轉換為脈沖流。因此，可以說一個典型的D類功放由兩個輸出MOSFET、一個脈寬調制器和一個外部低通濾波器組成，用于恢復放大的音頻。
圖1. 不同類型的音頻功率放大器之間效率與失真表現的對比圖
與AB類功率放大器中使用的會導致功率晶體管能量損失的線性功率調節不同，D類放大器使用僅在“開”或“關”兩個階段工作的開關晶體管。晶體管上幾乎沒有能量損失，幾乎所有的功率都傳輸到換能器。因此，與A類、B類和AB類放大器相比，D音頻放大器的效率可高達90-95%，而AB放大器的最大效率僅為60-65%。
2. D類音頻功放的工作原理
D類放大器在開始工作時會產生一系列固定幅度的矩形脈沖，它的面積和間隔，或每單位時間的數量不同。此外，模擬音頻輸入流的幅度變化也由這些脈沖表示，而且將調制器時鐘與輸入的數字音頻輸入信號同步也是可行的，因此無需將數字音頻信號轉換為模擬信號。調制器的輸出級通過交替打開和關閉輸出晶體管來控制它們的操作。
圖2. 脈寬調制波形圖示意圖
由于晶體管要么完全“開啟”，要么完全“關閉”，它們在線性區停留的時間很短，并且在此期間它們的功耗非常低，這是其高效率的主要因素。
二 氮化鎵器件在D類音頻功放應用中的優勢
開門見山的說，氮化鎵開關器件相較于硅基晶體管應用于D類音頻功放中所帶來的優勢主要有以下三點：
● 整體效率更高
● 失真指標有所提升
● 開關波形更加清晰
那么氮化鎵開關器件是如何為D類音頻功放帶來以上三大優勢的呢？
1. 整體效率更高
首先從導通損耗方面考慮，為了達到D類音頻功放出色的性能表現，需要提供盡可能低的導通電阻，以最大限度地減少導通損耗。 GaN開關器件會提供比硅基晶體管低得多的導通電阻，并在更小的裸片面積上實現這一點。
其次，開關損耗是另一個需要重點考量的因素。 在以中高功率輸出時，D 類功放效率表現極為高效。 但當它處于低功率輸出狀態時，由于功率器件中的損耗，效率相較于中高功率輸出要低得多。
為了克服這一挑戰，一些 D 類功放使用兩種工作模式。一旦輸出功率級達到預定的閾值，功放開關管的輸出電壓軌就會提升，從而提供滿量程的電壓擺幅。 因此為了進一步降低開關損耗的影響，可以在低輸出功率級時使用零電壓開關 (ZVS) 技術，在高功率水平時改為硬開關，利用氮化鎵器件零電壓開關(ZVS)狀態下極低的開關損耗來提升低輸出功率時系統整體的工作效率。
圖3. GaN與Si開關器件在D類音頻功放的應用中的效率曲線對比圖（負載8歐姆）
由上圖我們可以發現，GaN開關器件相較于Si類開關器件在D類音頻功放的應用中可以提供3%-6%的效率提升，特別是輸出功率在20W - 80W之間時，效率差異尤為明顯。
2. 失真指標有所提升
當D類音頻功放以 ZVS 模式運行時，開關損耗得到有效消除，因為此時輸出的轉換是通過電感電流換向實現的。然而，像其他所有半橋設計一樣，我們需要考慮到直通的問題，即高側和低側開關同時導通的時刻。 我們通常會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管在另一個開關管打開之前完全關閉。
需要注意的是，此延遲會影響 PWM 信號，導致音頻輸出失真，因此目標是使其盡可能的短，以保持音頻的保真度。 而該延遲的長度主要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，但它明顯低于硅基開關器件。因此，較短的消隱時間可以使得D類音頻功放在使用 GaN作為開關器件時失真更小。而在專業音箱領域，細微的THD差距可以為消費者帶來完全不同的聽覺感受。
圖4. 開關波形比較：GaN FET波形（左）和Si FET波形（右）
3. 開關波形更加清晰
與任何音頻功放一樣，任何 D 類音頻功放性能的重要指標是重現音頻信號的還原度，對于“開關放大器”系統，例如 D 類音頻功放，主要目標之一就是使用“完美”的開關波形。 開關波形越接近“完美”，音頻重現的效果就越接近“完美”。
當硅基晶體管用于D類音頻功放中實現開關功能時，硬開關模式(hard-switching)會導致在體二極管中積累電荷，因為當功率器件關閉和打開時輸出端的電壓不為零，而后建立的反向恢復電荷 (Qrr) 需要放電，需要將放電時間考慮到 PWM 的控制動作中。 而在使用GaN的設計中，這不再是我們需要考慮的問題，因為GaN晶體管中沒有硅基晶體管固有的體二極管，因此沒有反向恢復電荷Qrr，使我們可以得到更加清晰的開關波形。
圖5. 電荷相關參數對Si FET和GaN FET帶來的負面影響
通過上圖我們可以清晰的看到，反向恢復電荷(Qrr)以及Cgs和Cgd為硅基開關器件的開關波形的還原帶來了較為嚴重的負面影響，而得益于GaN開關器件中不存在反向恢復電荷(Qrr)以及非常低的Cgs和Cgd，此類電荷參數所帶來的負面影響非常有限。
三 總結
多年來，硅基開關器件為D類音頻功放的設計人員提供了卓越的服務，這要歸功于在優化其性能方面的不斷進步。然而，要在它們的特性上取得進一步的提升十分具有挑戰性。此外，導通電阻RDS(on)的進一步降低導致芯片尺寸更大，從而使構建緊湊型音頻功放的設計變得更加困難。然而，GaN開關器件突破了這一限制，同時也消除了 Qrr，再加上它們的 Coss 降低以及能夠在更高的開關頻率下運行，意味著可以輕松構建體積更小，更緊湊的設計。由此產生的 THD+N 測量值還表明這項新技術可以實現卓越的音頻性能。
作者：Remy Zhang
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