EPC9083開發(fā)板：高效Class - E無線功率放大器的快速入門指南

在電子工程領域，功率放大器的設計與應用一直是研究的熱點。今天我們要介紹的EPC9083開發(fā)板，是一款專注于Class - E放大器技術的開發(fā)工具，它為工程師們提供了一個便捷的平臺來評估eGaN? FET在Class - E放大器應用中的性能。

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一、EPC9083開發(fā)板概述

EPC9083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頻率下運行，其中6.78 MHz是無線功率應用中常用的頻率。不過，該開發(fā)板并未針對特定頻率進行預配置，更高頻率的應用仍在評估中。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，并將其連接到現(xiàn)有系統(tǒng)中。

此外，該開發(fā)板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、共源雙向開關以及通用高壓窄脈沖寬度應用（如LiDAR）。開發(fā)板采用了額定電壓為200 V的EPC2207 eGaN FET，放大器默認設置為差分模式，也可重新配置為單端模式，同時還配備了柵極驅動器和邏輯電源穩(wěn)壓器。

二、詳細技術分析

2.1 放大器電路原理圖

圖1展示了單端Class - E放大器的原理圖及理想工作波形，放大器連接到調諧負載（如高諧振無線功率線圈）。由于特定的設計要求（如負載電阻和工作頻率），放大器尚未進行配置。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。

圖2展示了差分模式Class - E放大器EPC9083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電路板的信號。占空比調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用戶。

2.2 單端模式操作

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

2.3 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，需要增加放大器電源電壓以獲得所需的輸出功率，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)器件體二極管導通的情況，器件損耗會隨著負載電阻的減小而線性增加。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，從而導致并聯(lián)電容（ (C{oss }+C{sh }) ）損耗，器件損耗會隨著反射負載電阻的增加而呈指數(shù)增加。因此，需要確定最佳設計點，使兩種極端負載電阻情況下的器件損耗相同，這可以通過試錯法或電路仿真來實現(xiàn)。

2.4 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 (L{e}) 、并聯(lián)電容 (C{sh}) 和合適的開關器件。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，為簡化方程，將 (Q{L}) 的值設為無窮大，這在該開發(fā)板頻率能力范圍內的大多數(shù)應用中是合理的近似。設計需要有特定的負載電阻 (R{Load }) 和所需的負載功率 (P{Load }) ，以此開始設計，進而確定其他組件的值，包括電源電壓的大小。

具體設計步驟如下：

1. 從圖1所示的負載阻抗 (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，得到 (R{Load }) 。忽略直流阻斷會導致電源產(chǎn)生直流電流到負載，增加路徑中多個組件的損耗。
2. 使用圖4中的方程確定額外電感 (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{sh }) 的值。首先使用方程1計算電源電壓 (V{DD}) ，進而確定器件峰值電壓 (3.56· V_{DD}) 。
3. 使用器件峰值電壓的有效值確定該電壓下器件的 (C{ossQ}) ，這是從計算的并聯(lián)電容中扣除的電容，以得到外部并聯(lián)電容 (C{sh}) 的值。 (C{ossQ}) 可以通過對方程4中 (C{oss}) 作為電壓的函數(shù)進行積分來計算。如果 (C{oss}) 的值大于計算的并聯(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 }) 。
4. 最后，使用方程5設計扼流圈 (L_{RFck}) ，并指定一個最小值。較大的值會產(chǎn)生較低的紋波電流，使放大器運行更穩(wěn)定；值過低會導致運行損耗增加并改變放大器的運行模式。

三、快速啟動步驟

1. 在進行電氣連接（包括適用的負載）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（見圖5），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（見圖5），注意電源連接器的極性，將電壓設置為7 V - 12 V。
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. 打開邏輯電源電壓。
6. 打開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。

四、注意事項

4.1 測量注意事項

在測量高頻內容開關節(jié)點時，必須注意避免使用長接地線。開發(fā)板內置了示波器探頭連接（首選方法），以簡化漏源電壓的測量（見圖6）。選擇示波器探頭時，需要考慮探頭電容，因為它會與并聯(lián)電容并聯(lián)，從而改變放大器的工作點。

4.2 熱管理和保護

EPC9083開發(fā)板展示了EPC2207 eGaN FET在Class - E放大器應用中的性能。盡管其電氣性能優(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。該開發(fā)板沒有電流或熱保護，必須小心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)定的熱極限內運行。建議始終檢查操作條件，并使用紅外熱像儀監(jiān)測EPC器件的溫度。

五、物料清單和可選組件

開發(fā)板的物料清單詳細列出了各個組件的型號、數(shù)量和制造商，方便工程師進行采購和替換。同時，還提供了一些可選組件，如肖特基二極管、電感器等，可根據(jù)具體應用需求進行選擇。

六、總結與建議

EPC9083開發(fā)板為工程師提供了一個全面的平臺來評估和設計Class - E放大器。通過合理的設計和操作，可以充分發(fā)揮eGaN FET的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效的功率放大。在設計過程中，工程師需要仔細考慮負載電阻、電源電壓、組件參數(shù)等因素，以確保放大器的性能和穩(wěn)定性。同時，要注意熱管理和測量技巧，避免因操作不當導致器件損壞。大家在使用過程中是否遇到過類似的功率放大器設計問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。