EPC9053開發(fā)板：高效Class - E無線功率放大器快速上手

在電子工程領域，高效功率放大器的設計與應用一直是研究的熱點。今天，我們就來深入探討EPC9053開發(fā)板，一款基于EPC2019C Class - E無線功率放大器的開發(fā)工具。

文件下載：EPC9053.pdf

開發(fā)板概述

EPC9053是一款高效的差分模式Class - E放大器開發(fā)板，最高可在15 MHz頻率下工作，更高頻率目前還在評估中。其主要目的是簡化使用eGaN? FET的Class - E放大器技術的評估過程，工程師可以輕松地將所有關鍵的Class - E組件安裝在一塊板上，并方便地連接到現(xiàn)有系統(tǒng)中。

該開發(fā)板不僅適用于Class - E放大器評估，還可用于使用低端開關的應用，如推挽轉換器、電流模式Class D放大器、共源雙向開關以及激光雷達等通用高壓窄脈沖寬度應用。開發(fā)板采用了額定電壓為200 V的EPC2019 eGaN FET，默認工作在差分模式，也可重新配置為單端模式，并且板上包含柵極驅動器和邏輯電源穩(wěn)壓器。

詳細技術分析

放大器電路原理

單端Class - E放大器連接到調諧負載（如高諧振無線功率線圈）時，其理想工作波形如圖1所示。由于具體設計要求（如負載電阻和工作頻率）不同，放大器需要進行相應配置。本指南給出了特定Class - E放大器支持組件的設計方程，可據(jù)此計算適用于射頻放大器應用的具體值。

差分模式Class - E放大器EPC9053演示板的電源電路原理圖如圖2所示。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%、信號幅度為0 V - 5 V的方波外部振蕩器作為板的信號。不過，占空比調制建議僅由熟悉Class - E放大器操作且需要額外效率的高級用戶使用。

單端模式操作

雖然默認配置為差分模式，但演示板可通過短路C74（僅禁用驅動電路）并將負載僅連接在Out 1和GND之間，重新配置為單端操作（詳見圖2和圖5）。

Class - E放大器的工作限制

負載電阻變化對Class - E放大器的性能影響顯著，必須仔細分析以選擇最佳設計電阻。當負載電阻低于設計值時，負載會過快地從放大器吸取電流，為補償這種情況，需增加放大器電源電壓以獲得所需輸出功率，這會導致開關器件承受的電壓顯著增加，并且在器件關斷期間會出現(xiàn)器件體二極管導通，器件損耗隨負載電阻減小呈線性增加。當負載電阻高于設計值時，負載從放大器吸取的電流不足，導致電壓轉換不完全，器件開關時會有殘余電壓，從而產(chǎn)生并聯(lián)電容（ (C{oss }+C{sh }) ）損耗，器件損耗隨反射負載電阻增加呈指數(shù)增加。因此，需要確定最佳設計點，使兩個極端負載電阻點的器件損耗相同，可通過試錯法或電路仿真找到該點。

Class - E放大器設計

對于該放大器，僅需專門設計三個組件：額外電感（Le）、并聯(lián)電容（ (C) ）和選擇合適的開關器件。射頻扼流圈（ (L_{RFck}) ）的值不太關鍵，可以選擇或設計。

Class - E放大器的設計方程由N. Sokal推導得出。為簡化計算，在大多數(shù)應用中可將某些參數(shù)設為無窮大。設計需要特定的負載電阻（ (R{Load }) ）值和所需的負載功率（ (P{Load }) ），以此驅動其他組件的值，包括電源電壓的大小。

設計過程從負載阻抗值（ (Z{Load}) ）開始，使用串聯(lián)電容 (C{s}) 調諧 (Z{Load}) 的電抗分量，同時作為直流阻斷電容，得到 (R{Load}) 。忽略直流阻斷電容會導致電源產(chǎn)生直流電流通過負載，增加路徑中多個組件的損耗。

首先，使用圖4中的方程確定額外電感Le（方程2）和并聯(lián)電容（方程3）的值。并聯(lián)電容的值包括開關器件的 (C{oss}) ，需要從計算值中減去 (C{oss}) 以得到實際的外部電容（ (C) ）值。為此，先使用方程1計算電源電壓（ (V{DD}) ）的大小，進而確定器件的峰值電壓（ (3.56 cdot V{DD}) ）。然后，使用峰值器件電壓的有效值確定該電壓下器件的 (COSQ) ，即從計算的并聯(lián)電容中扣除的電容值， (COSQ) 可通過對方程4中 (C{oss }) 關于電壓的積分計算得到。如果 (C{oss}) 值大于計算的并聯(lián)電容值，則無法實現(xiàn)指定負載電阻的設計，需要選擇新的負載電阻（ (R_{Load }) ）。

最后，使用方程5設計扼流圈（ (L_{RFck}) ），并指定一個最小值。較大的值可降低紋波電流，使放大器工作更穩(wěn)定；值過低會增加工作損耗并改變放大器的工作模式。

快速啟動步驟

EPC9053放大器板易于設置，用于評估eGaN FET在Class - E放大器應用中的性能。完成無源組件的設計和安裝后，即可對開發(fā)板進行上電和測試。

1. 在進行電氣連接（包括適用負載）之前，確保整個系統(tǒng)已完全組裝好。
2. 關閉電源，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，將電壓設置為0 V。
3. 關閉電源，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，將電壓設置在7 V - 12 V之間。
4. 確保所有儀器都已連接到系統(tǒng)，包括用于控制電路的外部振蕩器。
5. 打開邏輯電源電壓。
6. 打開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，以防止過熱和過壓故障。
7. 確認操作正常后，觀察放大器和器件板上的器件電壓、效率和其他參數(shù)。
8. 關機時，請按相反順序操作。

注意事項

在測量高頻內(nèi)容的開關節(jié)點時，要注意避免使用過長的接地引線。開發(fā)板內(nèi)置了示波器探頭連接（首選方法），用于簡化漏源電壓的測量（如圖5所示）。選擇示波器探頭時，需要考慮探頭尖端電容，因為它會與并聯(lián)電容并聯(lián)，從而改變放大器的工作點。

此外，EPC9053開發(fā)板展示了EPC2019 eGaN FET在Class - E放大器應用中的性能。雖然其電氣性能優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件，但由于尺寸相對較小，需要注意熱管理技術。開發(fā)板沒有電流或熱保護，操作時要避免器件過流或過熱。負載阻抗范圍變化過大會導致器件損耗增加，操作人員必須觀察柵極驅動器和eGaN FET的溫度，確保它們在數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的熱極限內(nèi)工作。建議使用紅外相機檢查操作條件并監(jiān)測EPC器件的溫度。

EPC9053開發(fā)板為電子工程師提供了一個便捷的平臺，用于評估和開發(fā)Class - E放大器技術。通過合理設計和操作，可以充分發(fā)揮其高效性能，為無線功率傳輸?shù)葢脦硇碌目赡苄?。大家在實際應用中是否遇到過類似開發(fā)板的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。