技术分享
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
1.1. 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。
1.2. 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。
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？
2.1. 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。
2.2. 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。
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。
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�。舸盏纳杓�。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。
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