EPC9051高頻E類功率放大器開(kāi)發(fā)板快速上手指南

在電子工程領(lǐng)域，功率放大器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用至關(guān)重要。今天，我們來(lái)深入了解EPC公司推出的EPC9051高頻E類功率放大器開(kāi)發(fā)板，它為工程師們提供了一個(gè)便捷的平臺(tái)來(lái)評(píng)估E類放大器技術(shù)。

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一、EPC9051開(kāi)發(fā)板概述

EPC9051是一款高效的差分模式E類放大器開(kāi)發(fā)板，最高可在15MHz頻率下運(yùn)行，更高頻率的運(yùn)行正在評(píng)估中。其主要目的是簡(jiǎn)化使用eGaN? FET的E類放大器技術(shù)的評(píng)估過(guò)程，工程師可以輕松地將所有關(guān)鍵的E類組件安裝在一塊板上，并方便地連接到現(xiàn)有系統(tǒng)中。

該開(kāi)發(fā)板還可用于使用低端開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，如推挽轉(zhuǎn)換器、電流模式D類放大器、共源雙向開(kāi)關(guān)以及通用高壓窄脈沖寬度應(yīng)用（如LiDAR）。它采用了額定電壓為100V的EPC2037 eGaN FET，放大器默認(rèn)設(shè)置為差分模式運(yùn)行，也可重新配置為單端模式。其關(guān)鍵特性是eGaN FET無(wú)需柵極驅(qū)動(dòng)器，可直接由邏輯門驅(qū)動(dòng)，并且板上還提供了一個(gè)單獨(dú)的邏輯電源調(diào)節(jié)器。

二、詳細(xì)功能介紹

（一）放大器板電路

1. 單端E類放大器：圖1展示了單端E類放大器的原理圖及理想運(yùn)行波形，該放大器連接到調(diào)諧負(fù)載（如高諧振無(wú)線功率線圈）。由于特定設(shè)計(jì)要求（如負(fù)載電阻和工作頻率），放大器未進(jìn)行配置。本指南給出了特定E類放大器支持組件的設(shè)計(jì)方程，可據(jù)此計(jì)算適用于射頻放大器應(yīng)用的具體值。
2. 差分模式E類放大器：圖2為差分模式E類放大器EPC9051演示板電源電路原理圖。在此模式下，輸出連接在Out 1和Out 2之間。使用占空比為50%、信號(hào)幅度為0V - 5V的方波外部振蕩器作為板的信號(hào)。占空比調(diào)制建議僅適用于熟悉E類放大器操作并需要額外效率的高級(jí)用戶。
3. 電源供應(yīng)：EPC9051配備了一個(gè)5V調(diào)節(jié)器，為板上的邏輯電路供電。在R90位置添加一個(gè)0Ω電阻，EPC9051可使用單電源電壓供電，但此配置下最大工作電壓范圍限制在7V至12V之間。

（二）單端模式操作

盡管默認(rèn)配置為差分模式，但演示板可通過(guò)短路C74（僅禁用驅(qū)動(dòng)電路）并僅將負(fù)載連接在Out 1和GND之間，重新配置為單端操作（詳見(jiàn)圖2和圖5）。

（三）性能總結(jié)

注：最大電流取決于管芯溫度，實(shí)際最大電流將受開(kāi)關(guān)頻率、總線電壓和熱性能影響。

三、E類放大器的運(yùn)行限制與設(shè)計(jì)

（一）負(fù)載電阻變化的影響

負(fù)載電阻變化對(duì)E類放大器的性能影響顯著，必須仔細(xì)分析以選擇最佳設(shè)計(jì)電阻。當(dāng)負(fù)載電阻低于設(shè)計(jì)值時(shí)，負(fù)載會(huì)過(guò)快從放大器汲取電流，為補(bǔ)償此情況，需增加放大器電源電壓以獲得所需輸出功率，這會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件承受的電壓顯著增加，在器件關(guān)斷期間會(huì)出現(xiàn)器件體二極管導(dǎo)通，器件損耗隨負(fù)載電阻減小呈線性增加。當(dāng)負(fù)載電阻高于設(shè)計(jì)值時(shí)，負(fù)載從放大器汲取的電流不足，導(dǎo)致電壓轉(zhuǎn)換不完全，器件開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)有殘余電壓，從而產(chǎn)生并聯(lián)電容（ (C{oss }+C{sh }) ）損耗，器件損耗隨負(fù)載電阻增加呈指數(shù)增加。因此，需要確定這兩個(gè)極端負(fù)載電阻之間的最佳點(diǎn)，可通過(guò)試錯(cuò)法或電路仿真來(lái)找到。

（二）E類放大器設(shè)計(jì)

E類放大器僅需專門設(shè)計(jì)三個(gè)組件：額外電感（ (L{e}) ）、并聯(lián)電容（ (C{sh}) ）和選擇合適的開(kāi)關(guān)器件。射頻扼流圈（ (L{RFck}) ）的值不太關(guān)鍵，可選擇或設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方程由N. Sokal推導(dǎo)得出，為簡(jiǎn)化方程，將Q值設(shè)為無(wú)窮大，這在該開(kāi)發(fā)板頻率能力范圍內(nèi)的大多數(shù)應(yīng)用中是合理的近似。設(shè)計(jì)需要特定的負(fù)載電阻（ (R{Load }) ）值和所需的負(fù)載功率（ (P_{Load }) ），以此驅(qū)動(dòng)其他組件的值，包括電源電壓的大小。

具體設(shè)計(jì)步驟如下：

1. 從負(fù)載阻抗值（ (Z{load }) ）開(kāi)始，使用串聯(lián)電容 (C{s}) 調(diào)諧 (Z{load }) 的電抗分量，同時(shí)作為直流阻斷，得到 (R{Load }) 。忽略直流阻斷會(huì)導(dǎo)致電源通過(guò)負(fù)載產(chǎn)生直流電流，增加路徑中多個(gè)組件的損耗。
2. 使用圖4中的方程確定額外電感 (L{e}) （方程2）和并聯(lián)電容（方程3）的值。并聯(lián)電容的值包括開(kāi)關(guān)器件的 (C{oss}) ，需從計(jì)算值中減去 (C{oss}) 以得到實(shí)際外部電容（ (C{sh}) ）的值。首先使用方程1計(jì)算電源電壓（ (V{DD}) ）的大小，進(jìn)而確定器件峰值電壓（ (3.56V{DD}) ），然后使用該峰值電壓的均方根值確定該電壓下器件的 (C{ossQ}) ，從計(jì)算的并聯(lián)電容中扣除 (C{ossQ}) 得到外部并聯(lián)電容（ (C{sh}) ）的值。 (C{ossQ}) 可通過(guò)對(duì)方程4中 (C{oss}) 作為電壓的函數(shù)進(jìn)行積分來(lái)計(jì)算。如果 (C{ossQ}) 值大于計(jì)算的并聯(lián)電容，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)指定負(fù)載電阻的設(shè)計(jì)，必須選擇新的負(fù)載電阻（ (R_{Load }) ）。
3. 使用方程5設(shè)計(jì)扼流圈（ (L_{RFck}) ），并指定最小值。較大的值會(huì)產(chǎn)生較低的紋波電流，使放大器運(yùn)行更穩(wěn)定；值過(guò)低會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行損耗增加并改變放大器的運(yùn)行模式。

注：在差分模式放大器的情況下，計(jì)算得到的 (L_{e}) 值由每個(gè)電路共享，因此板上每個(gè)物理組件的值必須除以2。

四、快速啟動(dòng)步驟

1. 確保在進(jìn)行電氣連接（包括適用負(fù)載）之前，整個(gè)系統(tǒng)已完全組裝好。
2. 關(guān)閉電源，將主輸入電源總線連接到J62（見(jiàn)圖5），注意電源連接器的極性，將電壓設(shè)置為0V。
3. 關(guān)閉電源，將邏輯輸入電源總線連接到J90（見(jiàn)圖5），注意電源連接器的極性，將電壓設(shè)置在7V至12V之間。
4. 確保所有儀器都連接到系統(tǒng)，包括用于控制電路的外部振蕩器。
5. 打開(kāi)邏輯電源電壓。
6. 打開(kāi)主電源電壓并增加到所需值，注意操作條件，特別是FET的熱性能和電壓，以防止過(guò)熱和過(guò)壓故障。
7. 關(guān)機(jī)時(shí)，請(qǐng)按相反順序操作。

在測(cè)量高頻內(nèi)容開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須注意避免使用長(zhǎng)接地引線。板上內(nèi)置了示波器探頭連接（首選方法），以簡(jiǎn)化漏源電壓的測(cè)量（見(jiàn)圖5和圖6）。選擇示波器探頭時(shí)需要考慮探頭電容，因?yàn)樗鼤?huì)與并聯(lián)電容并聯(lián)，從而改變放大器的工作點(diǎn)。

五、預(yù)防措施

EPC9051開(kāi)發(fā)板展示了EPC2037 eGaN FET在E類放大器應(yīng)用中的性能。盡管其電氣性能優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件，但由于其尺寸相對(duì)較小，需要注意熱管理技術(shù)。該開(kāi)發(fā)板沒(méi)有電流或熱保護(hù)，必須小心操作，避免器件過(guò)流或過(guò)熱。負(fù)載阻抗范圍變化過(guò)大可能導(dǎo)致器件損耗增加。操作人員必須觀察柵極驅(qū)動(dòng)器和eGaN FET的溫度，確保兩者都在數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的熱限制范圍內(nèi)運(yùn)行。始終檢查操作條件，并使用紅外相機(jī)監(jiān)測(cè)EPC器件的溫度。

六、物料清單

總之，EPC9051開(kāi)發(fā)板為工程師提供了一個(gè)全面的平臺(tái)來(lái)評(píng)估和設(shè)計(jì)E類功率放大器。在使用過(guò)程中，工程師需要充分了解其特性、運(yùn)行限制和設(shè)計(jì)方法，以確保開(kāi)發(fā)板的穩(wěn)定運(yùn)行和最佳性能。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似開(kāi)發(fā)板的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。