GaN-транзисторы с высокой подвижностью электронов обеспечивают меньший заряд затвора и паразитную емкость, обеспечивая более высокую эффективность и быструю скорость переключения звука.
Широкое распространение бытовой электроники, профессионального hi-fi оборудования, портативных устройств и автомобильных информационно-развлекательных систем повысило спрос на высокоэффективные средства усиления звука. В течение многих лет усилители класса A и класса AB – оба примера линейного усиления – широко использовались благодаря приемлемому уровню искажений и простоте конструкции. Недостатком линейных усилителей является их низкий КПД и высокие потери мощности, что, в свою очередь, приводит к снижению удельной мощности и более сложному теплоотводу.
Как уже происходило с источниками питания, которые эволюционировали в топологии с переключаемым режимом, усилители пошли по тому же пути, и класс D стал наиболее доминирующим подходом к усилению звука. Усилители класса D основаны на транзисторах с быстрым переключением и технологии широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Обзор класса эксплуатации усилителей
Класс эксплуатации в основном характеризуется углом проводимости – долей полного цикла, в течение которого транзистор проводит ток, – и режимом работы активных полупроводниковых компонентов. В усилителях класса A, класса B и класса AB усиление достигается за счет работы силовых транзисторов в линейной области их выходных характеристик, поэтому небольшие колебания входного сигнала управляют большими токами, подаваемыми источником постоянного напряжения. Хотя эти топологии обеспечивают низкие искажения, эффективность ограничена чрезмерным рассеиванием мощности.
В усилителях класса D силовые транзисторы быстро включаются и выключаются, а аудиосигнал преобразуется в промежуточный импульсный сигнал с помощью ШИМ или других систем модуляции. Как показано на рис. 1, в методе ШИМ аудиосигнал и высокочастотная треугольная несущая посылаются в качестве входных сигналов на компаратор, выходным сигналом которого является прямоугольная волна, в которой рабочий цикл модулируется амплитудой аудиосигнала. Другие системы включают в себя модуляцию плотностью импульсов и частотно-импульсную модуляцию.
Силовые транзисторы в усилителях класса D
Традиционно в качестве переключающих элементов в топологиях класса D использовались кремниевые силовые МОП-транзисторы. Однако ограничивающими факторами стали паразитные емкости, обратное восстановление основного диода и более высокие потери при переключении на высоких частотах.
Одним из важных факторов является время восстановления работы основного диода, которое добавляет затухающих колебаний и перерегулирования к форме сигнала переключения. Результирующее ухудшение качества звука и повышенные потери усугубляются выходной емкостью МОП-транзистора (COSS), требующей более медленного отключения для ограничения электромагнитных помех.
Технология GaN позволила разработать полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов с меньшим зарядом затвора и паразитными емкостями, что обеспечивает более высокую скорость переключения и превосходную эффективность.
Рынок аудиоусилителей класса D
По некоторым оценкам, объем рынка аудиоусилителей класса D в 2025 году был близок к 3,73 млрд долларов, а в 2036 году достигнет 10,3 млрд долларов, что обусловлено совокупным годовым ростом примерно на 9,7% за тот же период. Рыночная оценка включает стоимость силовых транзисторов, драйверов, схем управления с обратной связью и выходных фильтров.
Домашнее аудио – это крупнейший сегмент, рост которого обусловлен увеличивающимся спросом на умные дома, беспроводное аудио и развлечения, подобные кинотеатрам. Второй по темпам роста областью является автомобильная информационно-развлекательная система, поскольку в автомобили внедряется все больше аудиотехнологий и таких премиальных функций, как системы объемного звучания с несколькими динамиками и устройства шумоподавления.
В то время как для автомобильных устройств приоритетными являются виброустойчивость, компактность и эффективное управление температурой из-за ограниченного пространства, при разработке аудиокомпонентов для дома особое внимание уделяется повышению точности звучания, масштабируемости и полному подключению к экосистемам «умного дома».
Конструктивные особенности
Разработчики аудиосистем сталкиваются с различными конструктивными ограничениями, зависящими от мощности.
В мобильных устройствах, потребляющих десятки ватт, основной задачей является максимальное время автономной работы, особенно в режиме ожидания. В системах, работающих в диапазоне от 100 до 200 Вт на канал, приоритетными являются затраты и управление температурой. На этом уровне дискретные решения приобретают первостепенное значение по сравнению с монолитными микросхемами для лучшего распределения тепла.
Когда мощность приближается к 500 Вт на канал, становится необходимым принудительное воздушное охлаждение, а также более крупные радиаторы для снижения повышенных потерь, создаваемых кремниевыми МОП-транзисторами напряжением 200 В. Эти устройства, как известно, отличаются высоким уровнем заряда затвора (Qg), низкой производительностью переключения, длительным временем обратного восстановления основного диода (trr) и высоким уровнем заряда восстановления (Qrr).
Напряжение сток-исток (VDS) должно быть выше пикового выходного напряжения (Vpk), выраженного в единицах мощности (P) для синусоидального сигнала в виде:
P=Vpk2/(2RL)
Для обеспечения надежной работы рекомендуется устанавливать номинальное напряжение на уровне 2*Vpk для полумоста и Vpk плюс некоторый запас для полного моста.
Пиковый ток (Ipk) определяет значение сопротивления при включении (RDS(on)) через значение Ipk=Vpk/RL, но потери при переключении сильно зависят от заряда затвора, выходной емкости и обратного восстановления.
Более того, в кремниевых МОП-транзисторах с номинальным напряжением выше 100 В площадь кристалла, умноженная на сопротивление при включении, пропорциональна напряжению пробоя, увеличенному до 2,5. Это означает, что чем ниже сопротивление при включении, тем больше площадь кристалла.
Как правило, полумостовые топологии могут работать на 100 Вт, 8 Ом и 450 Вт, 4 Ом с полевыми транзисторами GaN напряжением 100 В и 150 В соответственно. В отличие от этого, для усилителей мощностью 3000 Вт/4 Ом используются полномостовые архитектуры и переключатели напряжением 200 В.
Основные принципы работы усилителей класса D
В усилителях класса D аналоговый входной сигнал преобразуется в высокочастотный ШИМ-сигнал, усиливается и затем восстанавливается с помощью фильтра нижних частот. Чтобы добиться высококачественного звука, разработчики должны максимально увеличить выходную мощность при минимизации общих гармонических искажений и шума (THD+N) в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.
Кроме того, тепловые потери должны быть снижены как при холостом ходе (в режиме ожидания), когда активна ступень коммутации, но ток нагрузки незначителен, так и при полной нагрузке. В последнем режиме тепловые потери обусловлены преимущественно теплопроводностью и могут быть смоделированы как I2R (R учитывает как последовательное сопротивление выходной катушки индуктивности, так и сопротивление при включении) и магнитные потери, которые увеличиваются при насыщении фильтра.
Эти ограничения усиливаются по мере увеличения количества каналов и повышения уровня мощности, что требует более компактной компоновки, использования контуров с низкой индуктивностью и эффективного охлаждения. GaN-транзисторы отвечают этим требованиям, обеспечивая частоту переключения, приближающуюся к 1 МГц. Это позволяет использовать меньшие выходные индуктивности и улучшить линейность. Кроме того, GaN снижает потери при переключении до 10 раз по сравнению с МОП-транзисторами.
Сравнение МОП-транзисторов и GaN
Чтобы количественно оценить преимущества решения GaN в полумостовой топологии, мы можем сравнить 200-вольтовые полевые транзисторы eGaN EPC2215 (8 Мом макс.) и EPC2307 (10 Мом макс.) с МОП-транзисторами с таким же номинальным напряжением и 24 Мом макс. Продукты на основе GaN обладают значительно меньшим Qg, сниженным зарядом выходной емкости (Qoss) и нулевым Qrr при 10-кратном уменьшении габаритов упаковки.
В худшем случае пиковые синусоидальные потери, соответствующие 2100 Вт выходной мощности в течение 20 мс, снижаются с 90 Вт до 13 Вт на одно переключение. В частности, потери на проводимость и коммутацию снижаются на 77% и 73% соответственно. Примечательно, что потери на восстановление диодов, которые в случае МОП-транзисторов достигали 40 Вт, снижаются до нуля.
При максимальном коэффициенте 3 дБ, определяемом как отношение пиковой амплитуды к среднеквадратичной амплитуде [20Log10(Vpk/Vrms)], потери при переключении снижаются с 25 Вт до 5,5 Вт при выходной мощности 625 Вт. В более реалистичном случае с коэффициентом усиления 12 дБ при той же выходной мощности и 25% рабочего цикла потери снижаются с 8,5 Вт до 3 Вт. Наконец, при 12,5% рабочем цикле для ограничения повышения температуры энергопотребление снижается с 6 Вт до 2,5 Вт, в то время как потери на холостом ходу составляют всего 0,1 Вт в GaN-транзисторах с высокой подвижностью электронов, по сравнению с 0,8 Вт в кремниевых МОП-транзисторах.
Демонстрационная плата EPC9192
Эта плата разработчика была рассчитана на мощность 700 Вт при нагрузке 4 Ом или 370 Вт при нагрузке 8 Ом на канал. Она работает при напряжении смещения ±85 В и достигает КПД более 96%. Демонстрационный образец изготовлен из 4-слойной меди весом 2 унции с компонентами, установленными на верхней стороне.
Для повышения производительности компоновка сводит к минимуму количество паразитных элементов за счет использования 48 переходных отверстий на каждом полевом транзисторе, обеспечивая оптимальную электрическую и тепловую связь с силовыми плоскостями – широкими медными листами, равномерно распределяющими большой ток.
Охлаждение без радиатора за счет естественной конвекции обеспечивает мощность 125 Вт/8 Ом или 250 Вт/4 Ом, при этом полевые транзисторы работают при температуре 78°C, а печатная плата – при температуре 66°C. Радиатор и принудительная вентиляция позволяют усилителю работать при мощности 700 Вт/4 Ом, а полевые транзисторы и печатная плата работают при температуре 71°C и 61°C соответственно.
Частотная характеристика, точность воспроизведения звука, искажения и чистота переключения
Частотная характеристика остается практически неизменной (±0,5 дБ в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц) независимо от импеданса динамика благодаря очень низкому выходному сопротивлению, варьирующемуся от 25 Мом до 8 Мом при частоте 1 кГц.
При практически неслышимом фоновом шуме (взвешенный по 38 мкВ – специальный фильтр, отражающий реакцию человеческого уха) отношение сигнал/шум превышает 122 дБ при напряжении ±85 В, обеспечивая чистый аудиосигнал.
Анализ с быстрым преобразованием Фурье (FFT) подтверждает, что THD составляет около 0,3% при 1 Вт при нагрузке 4 Ом при частоте 1 кГц, в то время как интермодуляционные искажения CCIF (IMD) остаются ниже 0,04% при 5 Вт при частоте 4 Ом при тестовых сигналах 18/19 кГц.
В отличие от THD, который измеряет, как один тон распадается на несколько спектральных составляющих, IMD показывает, как две или более ноты смешиваются и создают дополнительные частоты (призрачные звуки), отсутствующие в исходных сигналах.
Наконец, при большой нагрузке (20 А при 2 Ом) сигналы в узлах коммутации имеют четкие границы, что свидетельствует о стабильной и простой в настройке конструкции.
