探索GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS：高效音频放大器与电源解决方案

在音频电子设备的设计领域，追求高效、高性能和高音质一直是工程师们的不懈追求。今天，我们将深入探讨GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS，这是一款由GaN Systems推出的评估套件，它集成了高效的200W立体声D类放大器和带有PFC的LLC开关模式电源，为音频系统设计带来了全新的可能性。

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一、引言

GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS技术手册着重介绍了一款400W（200W立体声）D类放大器及其配套的带有PFC的开关模式电源（SMPS）的性能、优势和设计要点。这款高性能的立体声D类放大器支持“开环”和“闭环”两种工作模式，并提供多种标准音频源输入。其音频放大器的D类输出级采用了100V GaN增强型HEMT（E-HEMT）器件，而SMPS则由先进的数字控制方法结合650V GaN增强型E-HEMTs进行控制。这种无风扇设计方案具有极高的效率、高功率密度、可靠的启动性能、低THD和低EMI等优点。

核心器件优势

• Renesas D2Audio DAE - 3数字控制处理器：集成了24位定点DSP、硬件加速器、异步采样率转换器、故障恢复和保护系统等，支持高达768kHz的开关频率，能实现极低的噪声性能。
• GaN Systems E - HEMTs：在D类放大器和SMPS设计中均有应用，采用专利的Island Technology®单元布局，减小了器件尺寸和成本，同时提供更高的电流和更好的性能。例如GS61008P采用GaNPX®封装，具有低电感和热阻；GS - 065 - 030 - 2 - L和GS - 065 - 011 - 2 - L采用PDFN封装，具有低结到壳热阻。

驱动电路特点

• EZDrive®电路：这是一种低成本、易于实现的GaN E - HEMT驱动电路，适用于任何功率水平、开关频率和LLC及/或PFC控制器，能为效率和EMI优化提供设计控制。

二、解决方案概述

音频放大器性能

该参考设计为完整的立体声D类音频放大器设计奠定了基础，能够实现每通道200W（8欧姆负载）、300W（4欧姆负载）的输出功率，连续输出功率可达400W。通过适当的散热和热管理，功率还可以轻松扩展。满载效率超过96%，低THD + N < 0.03%，并且在产品开发中还可以进一步优化。

电源供应能力

同时，它也为带有功率因数校正（PFC）的完整LLC电源设计提供了基础。支持通用交流输入电压（85V - 264V），输出为±32VDC稳压电压，连续输出功率为400W。同样，通过重新设计磁性元件和提供适当的散热和热管理，功率也可以轻松扩展，满载效率超过90%。

方案优势总结

• 无风扇、自供电设计：无需外部直流电源，减少了系统的复杂性和成本。
• 高度集成：与D2Audio控制器/DSP高度集成，减少了外部组件的使用。
• 高效性能：在宽负载范围内实现了高效率，得益于GaN E - HEMTs和先进的控制技术。
• 易于扩展：通过选择合适的磁元件和GaN器件，可以轻松扩展到更高的功率。

三、设计实例

完整音频系统解决方案

GaN Systems评估平台提供了一个基于GaN的完整音频系统解决方案，评估套件捆绑包包括一个高效的基于GaN的带有PFC的LLC SMPS和一个高性能、高效率的基于GaN的D类立体声放大器。所有分立功率器件均采用GaN Systems的E - HEMTs，以实现效率、EMI/EMC性能和音频性能之间的最佳平衡。

SMPS详细设计

SMPS包括一个“通用输入”前端PFC和一个半桥LLC后端，以在最小的物理尺寸内实现最高效率。其主要组件包括：

1. 交流输入滤波：采用双共模扼流圈、EMI/EMC滤波器和保险丝。
2. 并联二极管桥：用于整流。
3. 通用电压功率因数校正（PFC）：由NCP1654 - 133kHz PFC控制器、单个GaN Systems GS - 065 - 030 - 2 - L E - HEMT、EZDrive®电路和8A、500uH PFC电感组成。
4. 稳压LLC谐振DC/DC转换器：包括NCP1399 LLC控制器、GaN Systems GS - 065 - 011 - 2 - L E - HEMT半桥、带有集成电感的LLC变压器、全波输出桥和±32VDC分裂轨输出。

立体声D类放大器设计

立体声D类放大器采用双桥接负载输出拓扑，以实现最高的功率输出和最低的电压轨，并允许接地参考输出。它提供了多种标准音频源输入，可通过板载MCU进行选择，包括同轴数字（S/PDIF）、光数字（TOSLINK – S/PDIF）、立体声RCA模拟和3.5mm立体声模拟输入。放大器PCBA为开环和闭环GaN Systems音频放大器配置提供了一个通用的评估平台，用于测量和聆听性能评估和比较。

四、评估板测试台设置与配置

在使用评估板时，需要注意一些安全事项，如不要在无人看管时给评估套件通电，连接电路板到带电线路时可能会有触电危险，必须由专业人员小心操作，建议使用带有过压和过流保护的隔离测试设备等。

高性能设置步骤

1. 将所需的音频源输入连接到相应的音频输入连接器。
2. 将相应的音频输入电缆连接到音频源（或前置放大器）。
3. 如果尚未连接，使用提供的电缆将GaN Systems SMPS连接到GaN Systems放大器（提供±32VDC）。
4. 将交流线适配器连接到标准交流电源线。
5. 将交流电源线插入“可切换”交流输入或多插座插排。
6. 将GaN Systems放大器的左右扬声器输出连接到所选的扬声器。注意，两个扬声器输出均为接地参考，但均未连接到地，切勿将这些扬声器输出连接到任何系统或测试设备的地。
7. 开启±32VDC SMPS电源。
8. 使用“输入选择”开关选择所需的音频源输入。
9. 将音量控制旋钮逆时针旋转几圈。
10. 使用“开环/闭环”开关选择所需的配置。
11. 播放音频源。
12. 如需连接到Audio Canvas III并控制音频信号流和硬件，请参考附录A和附录B。

五、评估板测试与验证

初始评估板使用行业标准测量方法、公认的技术和设备进行测试和验证。测试台配备了Audio Precision AP2700 System Two Cascade和AES - 17滤波器、Audio Precision AUX0025无源输出滤波器等设备。进行的测试包括性能规格测试（如功率输出）、性能表征测试（如THD + N与功率/电平、频率的关系、频率响应、噪声底等）。

六、基础测试结果与特性分析

THD + N与功率关系

从THD + N与功率（电平）的曲线可以看出，在低信号电平下，开环放大器的THD性能优于闭环方法，这主要是由于反馈带来的噪声增加。然而，随着音频信号电平的增加，闭环架构的优势逐渐显现，但开环架构的THD + N表现也相当不错，这得益于输出级GaN E - HEMT的出色开关特性。通过开环架构紧密控制死区时间，可以实现接近闭环的THD性能。

THD + N与频率关系

在THD + N与频率的曲线中，开环架构在低频时THD + N增加，主要是由于缺乏电源抑制和SMPS对系统性能的影响。但在中高频段，开环架构很快接近闭环架构的性能。

噪声底影响

噪声底的巨大差异（12dB）最终影响了所有音频测量的低信号电平性能。

七、结论

综上所述，GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS参考设计为客户快速开发完整的D类放大器设计和配套电源设计提供了基础，包括散热、热管理和适当的工作点设置。它展示了GaN技术在音频系统中的巨大潜力，为工程师们提供了一个高效、高性能的设计方案。

八、附录

7.1 Audio Canvas III安装

必须安装并使用Audio Canvas III控制表面GUI的3.2.6版本。首次安装时，需卸载任何以前的版本，解压文件，运行“Setup”程序（在Windows 8或10下需以管理员身份运行），按照安装向导完成安装。

首次连接硬件

安装完成后，可使用SCAMP - 7/8 USB编程/调谐“Dongle”将设备连接到PC。连接过程包括将Dongle电缆连接到目标硬件，开启目标硬件，将Dongle连接到PC的USB端口，更新驱动程序等步骤。

在使用该评估套件时，用户需要注意评估板仅用于工程开发、演示和评估目的，不适合一般消费者使用，可能不满足某些相关法规要求等重要注意事项。电子工程师们在实际应用中，可根据这些信息，充分发挥GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS的优势，设计出更出色的音频系统。各位工程师在实际设计中遇到过哪些类似方案的挑战呢？欢迎在评论区分享交流。