作者：英飛凌科技 - Jun Honda, Lead Principal Engineer for Class D Audio and Pawan Garg, System Application Engineer
音頻是一個復雜的應用，尤其是對于發燒友領域各個層面的需求。最高端的音頻設備通常都價格高昂，不同類型的音頻放大器吸引了眾多用戶的追求，他們相信其選擇可以最好地再現播放原始錄音的真實含義。盡管在各種發燒友論壇上大家對各種放大器設計的優缺點討論很多，但在許多應用領域中，能效起著非常重要作用。
D類放大器最早是在上世紀50年代提出（見圖1），其主要競爭技術包括A類、AB類和B類放大器，這些均在線性區域中使用晶體管，以盡可能準確地再現輸入信號的放大版本，但這些設計的理論效率極限均低于80％，實際效率在 65％以下。對于D類設計，是將輸入信號用于控制具有脈沖寬度調制（PWM）的推挽（push/pull）開關，從而允許它們以導通和關斷模式工作。結果是，它們將不在其線性區域內工作，從而使設計能夠提供理論上100％的效率以及零失真。
圖1：D類放大器設計的基本框圖。
在發展初期，直到具有合適器件參數的硅MOSFET出現之前，業界沒有可用的器件能夠實現D類技術的全部潛力。但從那時起，D類放大器取得了很大的成功，特別對于智能手機、助聽器和藍牙耳機等電池供電的設備，其中高效率和低散熱都是非常有利的特性。當然，電視和汽車等領域使用的更高功率放大器也受益于D類技術，從而使緊湊型設計很少需要甚至幾乎不需散熱器。
最近，基于氮化鎵（GaN）技術的高電子遷移率晶體管（HEMT）技術規格已經為更好利用D類放大器性能鋪平了道路。
新開關技術滿足D類放大要求
D類放大器能夠提供高效率和低失真能力，這主要取決于所選的開關器件。首先，導通電阻必須盡可能低，以減少I2R損耗。其次，為了支持更高開關頻率，開關損耗必須最小。由于功率器件中的損耗，所有類別放大器的效率通常在最低功率輸出時很差，只有達到一定的功率輸出，效率才開始提高。
D類放大器可以實現一種所謂多級（multilevel）的技術，其中在以較低音量輸出音頻時會限制最大輸出電壓，該方法有助于在低功率輸出時提高效率。隨著音頻轉至更高的輸出電平，整個電壓擺幅可供開關器件使用。在較低輸出電平下，采用零電壓開關（ZVS），而在較高輸出電平下，放大器采用硬開關方法。這兩種操作模式都會影響開關產生的損耗。
在零電壓開關模式下，輸出的改變是通過電感電流換向實現。因此，可以消除開關器件中的任何開關損耗以及所導致的功率損耗。但是，為了避免在兩個器件之間出現擊穿（shoot-through），必須增加一個小的空白延遲（blanking delay），以確保在進入下一個開關周期的導通狀態之前，上一個開關周期的關斷狀態得以保持。這會使輸出波形與PWM輸出所期望的波形有所不同，從而導致音頻信號失真。空白延遲時間取決于所用功率器件的輸出電容Coss。與Si MOSFET相比，GaN晶體管的Coss明顯較低，這意味著可以將空白延遲時間保持在最低水平，從而將失真降至最低。
高功率輸出時的硬開關意味著在功率器件導通或關斷時輸出端的電壓為非零。Si MOSFET具有一個體二極管，在開關斷開后，其中會積累反向恢復電荷（Qrr）。在對置開關進入導通狀態之前，需要將其放電，而這些都需要一些時間。GaN晶體管在這里則有很大不同，因為沒有內在的體二極管，因此也沒有Qrr。這樣可產生更清晰的開關波形、經過改善的失真系數和更高的整體效率。
不幸的是，使用GaN技術時，也需要應對Coss帶來的挑戰。但是，GaN存儲的能量明顯低于Si MOSFET，導致在下一個導通周期耗散的能量更少。由于這對高頻損耗影響極大，因此，與Si相比，GaN的性能表現出非常有益的改進。最重要的是，轉向GaN技術還可以在較小的裸片尺寸中提供更低的導通電阻，從而使工程師除了可以提供更好的音頻質量外，還可以實現更密集、緊湊的音頻解決方案。
如何在設計中體現GaN的優勢
與類似的硅器件一樣，GaN HEMT器件也具有柵極、漏極和源極端接。二維電子氣（2DEG）層可以提供了一個電子池，能以非常低電阻實現源極和漏極之間的短路。當沒有施加柵極偏壓（VGS = 0V）時，p-GaN柵極停止導通。但應當注意，GaN HEMT與Si MOSFET的不同在于它們是雙向的，并且如果漏極電壓變得低于源極電壓，將允許反向電流流動。沒有體二極管的存在也極大地消除了Si MOSFET中常見的PN結相關開關噪聲，從而能夠提供一種更為“潔凈”的開關（見圖2）。
圖2：GaN HEMT晶體管的結構（左）和卓越的開關特性，這些使D類放大器具備比Si MOSFET更大的優勢（右）。
一個采用D類技術設計實現的250W器件是IGT40R070D1 E8220，它可提供70mΩ RDS（on）（max）以及200V D類驅動器IC（IRS20957S），能夠為8Ω負載提供160W功率而無需散熱器（見圖3）。在100W時，THD + N僅僅為0.008％。將開關設置為500kHz時，THD + N測量顯示，在放大器從ZVS轉為硬開關區域時（功率只有幾瓦），失真沒有明顯變化，并且硬開關區域非常潔凈，很少噪聲。
圖3：250W D類放大器設計（左）和THD + N測量（右）。
總結
70年前，D類放大器概念的引入提供了一種前所未聞，但在理論上非常合理的音頻保真度以及出色的效率。雖然傳統硅MOSFET性能得到了巨大改進，并且在設計上不斷取得進步，但Qrr和Coss的影響都限制了較高的開關頻率，限制了效率的進一步提高，并最終導致D類設計中的音頻失真。要實現較低的RDS（on），需要較大的芯片尺寸，這也意味著更實現高能效設計需要更大的體積。隨著GaN晶體管技術的應用，消除了Qrr，Coss也大幅度降低，在確保提供最好THD + N結果的同時，能夠以更高的開關頻率運行。小巧封裝所固有的低RDS（on）（max）使D類GaN放大器可以在小體積內提供高音頻保真度，而無需笨重的散熱解決方案。
