氮化镓器件在D类音频功放中的应用及优势

作者：Remy Zhang

本文档介绍了D类音频功放的典型设计，概述了氮化镓器件在D类音频功放中的基础应用，并简单介绍了氮化镓器件在D类音频功放设计中，相较于硅基器件所带来的优势。

 

一 D类音频功放的典型设计

1. 什么是D类音频功率放大器？

D类功放最早由英国科学家Alec Reeves于1950年发明。简单来说，D类功率放大器就是一种电子放大器，也称为功率开关放大器，工作于脉宽调制，它将输入信号转换为脉冲流。D类功率放大器的输出晶体管级作为电子开关运行，并且没有像其他放大器那样的线性增益。D类功率放大器通过接收传入的模拟输入信号并生成PWM或PDM 开始工作。然后它将输入信号转换为脉冲流。因此，可以说一个典型的D类功放由两个输出MOSFET、一个脉宽调制器和一个外部低通滤波器组成，用于恢复放大的音频。

图1. 不同类型的音频功率放大器之间效率与失真表现的对比图

与AB类功率放大器中使用的会导致功率晶体管能量损失的线性功率调节不同，D类放大器使用仅在“开”或“关”两个阶段工作的开关晶体管。晶体管上几乎没有能量损失，几乎所有的功率都传输到换能器。因此，与A类、B类和AB类放大器相比，D音频放大器的效率可高达90-95%，而AB放大器的最大效率仅为60-65%。

2. D类音频功放的工作原理

D类放大器在开始工作时会产生一系列固定幅度的矩形脉冲，它的面积和间隔，或每单位时间的数量不同。此外，模拟音频输入流的幅度变化也由这些脉冲表示，而且将调制器时钟与输入的数字音频输入信号同步也是可行的，因此无需将数字音频信号转换为模拟信号。调制器的输出级通过交替打开和关闭输出晶体管来控制它们的操作。

图2. 脉宽调制波形图示意图

由于晶体管要么完全“开启”，要么完全“关闭”，它们在线性区停留的时间很短，并且在此期间它们的功耗非常低，这是其高效率的主要因素。

 

二 氮化镓器件在D类音频功放应用中的优势

开门见山的说，氮化镓开关器件相较于硅基晶体管应用于D类音频功放中所带来的优势主要有以下三点：

• 整体效率更高
• 失真指标有所提升
• 开关波形更加清晰

那么氮化镓开关器件是如何为D类音频功放带来以上三大优势的呢？

1. 整体效率更高

首先从导通损耗方面考虑，为了达到D类音频功放出色的性能表现，需要提供尽可能低的导通电阻，以最大限度地减少导通损耗。 GaN开关器件会提供比硅基晶体管低得多的导通电阻，并在更小的裸片面积上实现这一点。

其次，开关损耗是另一个需要重点考量的因素。 在以中高功率输出时，D 类功放效率表现极为高效。 但当它处于低功率输出状态时，由于功率器件中的损耗，效率相较于中高功率输出要低得多。

为了克服这一挑战，一些 D 类功放使用两种工作模式。一旦输出功率级达到预定的阈值，功放开关管的输出电压轨就会提升，从而提供满量程的电压摆幅。 因此为了进一步降低开关损耗的影响，可以在低输出功率级时使用零电压开关 (ZVS) 技术，在高功率水平时改为硬开关，利用氮化镓器件零电压开关(ZVS)状态下极低的开关损耗来提升低输出功率时系统整体的工作效率。

图3. GaN与Si开关器件在D类音频功放的应用中的效率曲线对比图（负载8欧姆）

由上图我们可以发现，GaN开关器件相较于Si类开关器件在D类音频功放的应用中可以提供3%-6%的效率提升，特别是输出功率在20W - 80W之间时，效率差异尤为明显。

2. 失真指标有所提升

当D类音频功放以 ZVS 模式运行时，开关损耗得到有效消除，因为此时输出的转换是通过电感电流换向实现的。然而，像其他所有半桥设计一样，我们需要考虑到直通的问题，即高侧和低侧开关同时导通的时刻。 我们通常会插入一个称为消隐时间(Blanking time)的短延迟，以确保其中一个开关管在另一个开关管打开之前完全关闭。

需要注意的是，此延迟会影响 PWM 信号，导致音频输出失真，因此目标是使其尽可能的短，以保持音频的保真度。 而该延迟的长度主要取决于功率器件的输出电容 Coss，虽然 GaN晶体管尚未完全消除 Coss，但它明显低于硅基开关器件。因此，较短的消隐时间可以使得D类音频功放在使用 GaN作为开关器件时失真更小。而在专业音箱领域，细微的THD差距可以为消费者带来完全不同的听觉感受。

图4. 开关波形比较：GaN FET波形（左）和Si FET波形（右）

3. 开关波形更加清晰

与任何音频功放一样，任何 D 类音频功放性能的重要指标是重现音频信号的还原度，对于“开关放大器”系统，例如 D 类音频功放，主要目标之一就是使用“完美”的开关波形。 开关波形越接近“完美”，音频重现的效果就越接近“完美”。

当硅基晶体管用于D类音频功放中实现开关功能时，硬开关模式(hard-switching)会导致在体二极管中积累电荷，因为当功率器件关闭和打开时输出端的电压不为零，而后建立的反向恢复电荷 (Qrr) 需要放电，需要将放电时间考虑到 PWM 的控制动作中。 而在使用GaN的设计中，这不再是我们需要考虑的问题，因为GaN晶体管中没有硅基晶体管固有的体二极管，因此没有反向恢复电荷Qrr，使我们可以得到更加清晰的开关波形。

图5. 电荷相关参数对Si FET和GaN FET带来的负面影响

通过上图我们可以清晰的看到，反向恢复电荷(Qrr)以及Cgs和Cgd为硅基开关器件的开关波形的还原带来了较为严重的负面影响，而得益于GaN开关器件中不存在反向恢复电荷(Qrr)以及非常低的Cgs和Cgd，此类电荷参数所带来的负面影响非常有限。

三 总结

多年来，硅基开关器件为D类音频功放的设计人员提供了卓越的服务，这要归功于在优化其性能方面的不断进步。然而，要在它们的特性上取得进一步的提升十分具有挑战性。此外，导通电阻RDS(on)的进一步降低导致芯片尺寸更大，从而使构建紧凑型音频功放的设计变得更加困难。然而，GaN开关器件突破了这一限制，同时也消除了 Qrr，再加上它们的 Coss 降低以及能够在更高的开关频率下运行，意味着可以轻松构建体积更小，更紧凑的设计。由此产生的 THD+N 测量值还表明这项新技术可以实现卓越的音频性能。

参考文献：

Texas Instruments, The sound of GaN

Texas Instruments, LMG1210 Datasheet

GaN Systems, Webinar: Class D Audio with GaN

GaN Systems, See, Feel, and Hear the Difference with GaN Class-D Amplifier and Companion SMPS