EPC9052開(kāi)發(fā)板：Class - E無(wú)線功率放大器快速上手

在電子工程領(lǐng)域，功率放大器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用一直是研究的重點(diǎn)。今天，我們將深入探討EPC9052開(kāi)發(fā)板，它是一款高效的差分模式Class - E放大器開(kāi)發(fā)板，能夠?yàn)?a target="_blank">工程師們?cè)贑lass - E放大器技術(shù)的評(píng)估和應(yīng)用中提供便利。

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1. EPC9052開(kāi)發(fā)板概述

EPC9052開(kāi)發(fā)板可在高達(dá)15 MHz的頻率下工作，雖然更高頻率的操作正在評(píng)估中，但目前這個(gè)頻率范圍已經(jīng)能滿足很多應(yīng)用需求。其主要目的是簡(jiǎn)化使用eGaN? FET的Class - E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Class - E組件安裝在一塊板子上，并方便地連接到現(xiàn)有系統(tǒng)中。

該開(kāi)發(fā)板不僅適用于Class - E放大器的評(píng)估，還可用于一些使用低端開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，如推挽轉(zhuǎn)換器、電流模式Class D放大器、共源雙向開(kāi)關(guān)以及諸如LiDAR等通用高壓窄脈沖寬度應(yīng)用。

開(kāi)發(fā)板采用了額定電壓為200 V的EPC2012C eGaN FET，默認(rèn)配置為差分模式，但也可以重新配置為單端模式，并且板上包含了柵極驅(qū)動(dòng)器和邏輯電源調(diào)節(jié)器。

2. 詳細(xì)技術(shù)分析

2.1 放大器電路原理圖

從原理圖來(lái)看，圖1展示了單端Class - E放大器的理想操作波形，放大器連接到調(diào)諧負(fù)載，如高諧振無(wú)線功率線圈。不過(guò)，由于具體設(shè)計(jì)要求（如負(fù)載電阻和工作頻率），放大器尚未進(jìn)行配置。在本指南中會(huì)給出特定Class - E放大器支持組件的設(shè)計(jì)方程，進(jìn)而可以計(jì)算出適用于射頻放大器應(yīng)用的具體值。

圖2則展示了差分模式Class - E放大器EPC9052演示板的電源電路原理圖。在這種模式下，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0 V - 5 V的方波外部振蕩器作為板子的信號(hào)。不過(guò)，占空比調(diào)制建議僅適用于熟悉Class - E放大器操作并需要額外效率的高級(jí)用戶。

2.2 單端模式操作

盡管默認(rèn)配置是差分模式，但演示板可以通過(guò)短路C74（僅禁用驅(qū)動(dòng)電路）并將負(fù)載僅連接在Out 1和GND之間，重新配置為單端操作。

2.3 Class - E放大器的工作限制

負(fù)載電阻的變化對(duì)Class - E放大器的性能影響顯著，必須仔細(xì)分析以選擇最佳的設(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)快地從放大器吸取電流，為了補(bǔ)償這種情況，需要增加放大器的電源電壓以獲得所需的輸出功率。這會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件承受的電壓顯著增加，并且在器件關(guān)斷期間會(huì)出現(xiàn)器件體二極管導(dǎo)通的情況，器件損耗會(huì)隨著負(fù)載電阻的減小而線性增加。

當(dāng)負(fù)載電阻高于設(shè)計(jì)值時(shí)，負(fù)載從放大器吸取的電流不足，導(dǎo)致電壓轉(zhuǎn)換不完全。器件開(kāi)關(guān)時(shí)，器件兩端會(huì)有殘余電壓，從而導(dǎo)致并聯(lián)電容（ (C{oss }+C{sh }) ）損耗，器件損耗會(huì)隨著反射負(fù)載電阻的增加呈指數(shù)增加。

因此，需要確定最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)，該點(diǎn)在兩個(gè)極端負(fù)載電阻點(diǎn)之間，能使器件損耗相同。可以通過(guò)試錯(cuò)法或電路仿真來(lái)找到這個(gè)最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)。

2.4 Class - E放大器設(shè)計(jì)

對(duì)于這個(gè)放大器，只需要特別設(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_{RFC}) ）的值不太關(guān)鍵，可以選擇或設(shè)計(jì)。

Class - E放大器的設(shè)計(jì)方程由N. Sokal推導(dǎo)得出。為了簡(jiǎn)化這些方程，將文獻(xiàn)[1]中Q的值設(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)需要有特定的負(fù)載電阻（ (R{Load }) ）值和期望的負(fù)載功率（ (P{Load }) ），以此開(kāi)始設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定其他組件的值，包括電源電壓的大小。

設(shè)計(jì)過(guò)程從負(fù)載阻抗值（ (Z{Load }) ）開(kāi)始，使用串聯(lián)電容 (C{s}) 調(diào)諧出 (Z{Load }) 的電抗分量，該電容還起到直流阻斷的作用，得到 (R{Load }) 。忽略直流阻斷的需求是常見(jiàn)的錯(cuò)誤，否則會(huì)導(dǎo)致電源通過(guò)負(fù)載產(chǎn)生直流電流，從而增加該路徑中幾個(gè)組件的額外損耗。

通過(guò)圖4中的方程，可以確定額外電感 (L{e}) 和并聯(lián)電容 (C{sh}) 的值。并聯(lián)電容的值包括開(kāi)關(guān)器件的 (C{oss}) ，需要從計(jì)算值中減去 (C{oss}) 以得到實(shí)際的外部電容（ (C{sh}) ）值。首先使用方程1計(jì)算電源電壓（ (V{DD}) ）的大小，進(jìn)而確定器件的峰值電壓（ (3.56V{DD}) ）。然后使用峰值器件電壓的有效值來(lái)確定該電壓下器件的 (C{oss}Q) ，即從計(jì)算出的并聯(lián)電容中扣除的電容值。 (C{oss}Q) 可以通過(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{oss}Q) 值大于計(jì)算出的并聯(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 }) ）。

最后，可以使用方程5設(shè)計(jì)扼流圈（ (L_{RFC}) ），在這種情況下，指定了一個(gè)最小值。較大的值會(huì)產(chǎn)生較低的紋波電流，從而使放大器運(yùn)行更穩(wěn)定；而過(guò)低的值會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行損耗增加并改變放大器的工作模式，在某些情況下這可能是有意為之。

需要注意的是，在差分模式放大器的情況下，計(jì)算出的 (L_{e}) 值由每個(gè)電路共享，因此板上的每個(gè)物理組件必須將其除以2。

3. 快速啟動(dòng)步驟

EPC9052放大器板易于設(shè)置，用于評(píng)估eGaN FET在Class - E放大器應(yīng)用中的性能。一旦完成無(wú)源組件的設(shè)計(jì)并安裝，就可以對(duì)板子進(jìn)行上電和測(cè)試。

1. 系統(tǒng)組裝：在進(jìn)行電氣連接之前，確保整個(gè)系統(tǒng)（包括適用的負(fù)載）已完全組裝好。
2. 主輸入電源連接：在電源關(guān)閉的情況下，將主輸入電源總線連接到J62（如圖5所示），注意電源連接器的極性，并將電壓設(shè)置為0 V。
3. 邏輯輸入電源連接：同樣在電源關(guān)閉時(shí)，將邏輯輸入電源總線連接到J90（如圖5所示），注意電源連接器的極性，將電壓設(shè)置在7 V - 12 V之間。
4. 儀器連接：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. 開(kāi)啟邏輯電源：打開(kāi)邏輯電源電壓。
6. 開(kāi)啟主電源：打開(kāi)主電源電壓并將其增加到所需值。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. 參數(shù)觀察：確認(rèn)操作正常后，觀察放大器和器件板上的器件電壓、效率和其他參數(shù)。
8. 關(guān)機(jī)：關(guān)機(jī)時(shí)，請(qǐng)按相反順序進(jìn)行操作。

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。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)。

4. 預(yù)防措施

EPC9052開(kāi)發(fā)板展示了EPC2012C eGaN FET在Class - E放大器應(yīng)用中的性能。雖然其電氣性能優(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)，因此必須小心操作，避免器件過(guò)流或過(guò)熱。負(fù)載阻抗范圍的過(guò)度變化會(huì)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，確保它們?cè)跀?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。

5. 物料清單

文檔中還提供了放大器板的物料清單（表2），列出了各個(gè)組件的數(shù)量、參考編號(hào)、描述、制造商和零件編號(hào)等信息，為工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)和組裝過(guò)程中提供了詳細(xì)的參考。

總之，EPC9052開(kāi)發(fā)板為Class - E放大器技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。通過(guò)深入了解其原理、設(shè)計(jì)和操作方法，工程師們可以更好地利用這款開(kāi)發(fā)板進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)工作。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似開(kāi)發(fā)板的使用問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。