EPC9058開發(fā)板：高效E類放大器的快速入門指南

在電子工程領(lǐng)域，高效功率放大器的設(shè)計(jì)一直是研究的熱點(diǎn)。EPC公司的EPC9058開發(fā)板為工程師提供了一個(gè)便捷的平臺(tái)，用于評估E類放大器技術(shù)。本文將詳細(xì)介紹EPC9058開發(fā)板的特點(diǎn)、工作原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及快速入門步驟。

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開發(fā)板概述

EPC9058是一款高效的差分模式E類放大器開發(fā)板，最高可在15 MHz頻率下工作，其中6.78 MHz是無線電源應(yīng)用中常用的頻率。該開發(fā)板未針對特定頻率進(jìn)行預(yù)配置，旨在簡化使用eGaN? FET的E類放大器技術(shù)的評估過程，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。

除了無線電源應(yīng)用，該開發(fā)板還可用于使用低端開關(guān)的應(yīng)用，如推挽轉(zhuǎn)換器、電流模式D類放大器、共源雙向開關(guān)以及通用高壓窄脈沖寬度應(yīng)用（如LiDAR）。開發(fā)板采用了額定電壓為120 V的EPC2110 eGaN FET，放大器默認(rèn)設(shè)置為差分模式，也可重新配置為單端模式，并包含柵極驅(qū)動(dòng)器和邏輯電源穩(wěn)壓器。

詳細(xì)描述

放大器板

圖1展示了單端E類放大器的原理圖和理想工作波形，放大器連接到調(diào)諧負(fù)載，如高諧振無線電源線圈。由于特定的設(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。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。

圖2顯示了差分模式E類放大器EPC9058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%、信號幅度為0 V - 5 V的方波外部振蕩器作為板的信號。建議僅熟悉E類放大器操作并需要額外效率的高級用戶進(jìn)行占空比調(diào)制。

EPC9058還配備了一個(gè)5 V穩(wěn)壓器，為邏輯電路和柵極驅(qū)動(dòng)器供電。在R90位置添加一個(gè)0 Ω電阻，可使EPC9058使用單電源電壓供電，但在此配置下，最大工作電壓限制在7 V - 12 V之間。

單端模式操作

盡管默認(rèn)配置為差分模式，但演示板可以通過短路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（詳見圖2和圖5）。

E類放大器的工作限制

負(fù)載電阻變化對E類放大器的性能有顯著影響，必須仔細(xì)分析以選擇最佳設(shè)計(jì)電阻。圖3展示了負(fù)載電阻（R_Load）變化對E類放大器操作的影響。當(dāng)負(fù)載電阻低于設(shè)計(jì)值時(shí)，負(fù)載會(huì)過快地從放大器汲取電流，為了補(bǔ)償這種情況，需要增加放大器電源電壓以產(chǎn)生所需的輸出功率，這會(huì)導(dǎo)致開關(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，器件損耗隨負(fù)載電阻的減小呈線性增加。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)致電壓過渡不完全，器件開關(guān)時(shí)會(huì)有殘余電壓，從而導(dǎo)致并聯(lián)電容（C_oss + C_sh）損耗，器件損耗隨反射負(fù)載電阻的增加呈指數(shù)增加。

在這兩種極端負(fù)載電阻情況下，必須確定它們之間的最佳點(diǎn)，該最佳點(diǎn)可通過試驗(yàn)和錯(cuò)誤或電路仿真找到，此時(shí)兩種極端負(fù)載電阻點(diǎn)的器件損耗相同，如圖3下部中心圖所示。

E類放大器設(shè)計(jì)

對于該放大器，僅需要專門設(shè)計(jì)三個(gè)組件：額外電感（L_e）、并聯(lián)電容（C_sh）和選擇合適的開關(guān)器件。射頻扼流圈（L_RFck）的值不太關(guān)鍵，可以選擇或設(shè)計(jì)。

E類放大器的設(shè)計(jì)方程由N. Sokal推導(dǎo)得出。為了簡化，在大多數(shù)應(yīng)用中，可將[1]中的eq設(shè)為無窮大，這是一個(gè)合理的近似。設(shè)計(jì)需要有特定的負(fù)載電阻（R_Load）值和所需的負(fù)載功率（P_Load），以此開始設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定其他組件的值，包括電源電壓的大小。

E類放大器無源組件的設(shè)計(jì)從負(fù)載阻抗值（Z_Load）開始，如圖1所示。使用串聯(lián)電容C_s調(diào)諧Z_Load的電抗分量，同時(shí)該電容也作為直流阻斷電容，得到R_Load。忽略直流阻斷電容的需求是一個(gè)常見的錯(cuò)誤，否則會(huì)導(dǎo)致電源產(chǎn)生直流電流通過負(fù)載，從而導(dǎo)致該路徑中多個(gè)組件的額外損耗。

首先，使用圖4中的方程，可以確定額外電感L_e（方程2）和并聯(lián)電容（方程3）的值。并聯(lián)電容的值包括開關(guān)器件的C_oss，必須從計(jì)算值中減去該值以得到實(shí)際的外部電容（C_sh）值。為此，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（3.56·V_DD）。

然后，使用器件峰值電壓的RMS值確定該電壓下器件的C_OSSQ，該電容將從計(jì)算的并聯(lián)電容中扣除，以得到外部并聯(lián)電容（C_sh）的值。器件的C_OSSQ可以通過使用方程4對C_oss作為電壓的函數(shù)進(jìn)行積分來計(jì)算。如果C_OSSQ值大于計(jì)算的并聯(lián)電容值，則無法實(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_RFck），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。值過低會(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。

快速入門步驟

EPC9058放大器板易于設(shè)置，可用于評估eGaN FET在E類放大器應(yīng)用中的性能。完成無源組件的設(shè)計(jì)并安裝后，即可對板進(jìn)行通電和測試。

1. 在進(jìn)行電氣連接（包括適用的負(fù)載）之前，確保整個(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，如圖5所示。注意電源連接器的極性，將電壓設(shè)置為0 V。
3. 關(guān)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(shè)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. 從0 V開始打開主電源電壓，并增加到所需的值。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(rèn)操作后，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)時(shí)，請按相反順序執(zhí)行上述步驟。

注意事項(xiàng)

在測量高頻內(nèi)容開關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須注意避免使用長接地引線。板上內(nèi)置了示波器探頭連接（首選方法），以簡化漏源電壓的測量（如圖6所示）。選擇示波器探頭時(shí)，需要考慮探頭尖端電容，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)。

EPC9058開發(fā)板展示了EPC2110 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，但由于其尺寸相對較小，需要注意熱管理技術(shù)。開發(fā)板沒有電流或熱保護(hù)，必須小心操作，避免器件過流或過熱。負(fù)載阻抗范圍的過度變化會(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，確保它們在數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的熱極限內(nèi)運(yùn)行。始終檢查操作條件，并使用紅外相機(jī)監(jiān)測EPC器件的溫度。

總之，EPC9058開發(fā)板為工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具，用于評估和設(shè)計(jì)高效的E類放大器。通過遵循本文介紹的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和快速入門步驟，工程師可以快速上手并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。你在使用E類放大器開發(fā)板時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。