EPC9051高频E类功率放大器开发板快速上手指南

在电子工程领域，功率放大器的设计和应用至关重要。今天，我们来深入了解EPC公司推出的EPC9051高频E类功率放大器开发板，它为工程师们提供了一个便捷的平台来评估E类放大器技术。

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一、EPC9051开发板概述

EPC9051是一款高效的差分模式E类放大器开发板，最高可在15MHz频率下运行，更高频率的运行正在评估中。其主要目的是简化使用eGaN® FET的E类放大器技术的评估过程，工程师可以轻松地将所有关键的E类组件安装在一块板上，并方便地连接到现有系统中。

该开发板还可用于使用低端开关的应用，如推挽转换器、电流模式D类放大器、共源双向开关以及通用高压窄脉冲宽度应用（如LiDAR）。它采用了额定电压为100V的EPC2037 eGaN FET，放大器默认设置为差分模式运行，也可重新配置为单端模式。其关键特性是eGaN FET无需栅极驱动器，可直接由逻辑门驱动，并且板上还提供了一个单独的逻辑电源调节器。

二、详细功能介绍

（一）放大器板电路

1. 单端E类放大器：图1展示了单端E类放大器的原理图及理想运行波形，该放大器连接到调谐负载（如高谐振无线功率线圈）。由于特定设计要求（如负载电阻和工作频率），放大器未进行配置。本指南给出了特定E类放大器支持组件的设计方程，可据此计算适用于射频放大器应用的具体值。
2. 差分模式E类放大器：图2为差分模式E类放大器EPC9051演示板电源电路原理图。在此模式下，输出连接在Out 1和Out 2之间。使用占空比为50%、信号幅度为0V - 5V的方波外部振荡器作为板的信号。占空比调制建议仅适用于熟悉E类放大器操作并需要额外效率的高级用户。
3. 电源供应：EPC9051配备了一个5V调节器，为板上的逻辑电路供电。在R90位置添加一个0Ω电阻，EPC9051可使用单电源电压供电，但此配置下最大工作电压范围限制在7V至12V之间。

（二）单端模式操作

尽管默认配置为差分模式，但演示板可通过短路C74（仅禁用驱动电路）并仅将负载连接在Out 1和GND之间，重新配置为单端操作（详见图2和图5）。

（三）性能总结

符号	参数	条件	最小值	最大值	单位
VIN	主电源电压	E类配置	0	20	V
		电流模式D类配置	0	30	V
		推挽配置	0	40	V
VDD	控制电源输入范围		7	12	V
IOUT	开关节点输出电流（每个）		1*		A
VOSC	振荡器输入阈值	输入‘低’	-0.3	1.5	V
		输入‘高’	3.5	5	V

注：最大电流取决于管芯温度，实际最大电流将受开关频率、总线电压和热性能影响。

三、E类放大器的运行限制与设计

（一）负载电阻变化的影响

负载电阻变化对E类放大器的性能影响显著，必须仔细分析以选择最佳设计电阻。当负载电阻低于设计值时，负载会过快从放大器汲取电流，为补偿此情况，需增加放大器电源电压以获得所需输出功率，这会导致开关器件承受的电压显著增加，在器件关断期间会出现器件体二极管导通，器件损耗随负载电阻减小呈线性增加。当负载电阻高于设计值时，负载从放大器汲取的电流不足，导致电压转换不完全，器件开关时会有残余电压，从而产生并联电容（ (C{oss }+C{sh }) ）损耗，器件损耗随负载电阻增加呈指数增加。因此，需要确定这两个极端负载电阻之间的最佳点，可通过试错法或电路仿真来找到。

（二）E类放大器设计

E类放大器仅需专门设计三个组件：额外电感（ (L{e}) ）、并联电容（ (C{sh}) ）和选择合适的开关器件。射频扼流圈（ (L{RFck}) ）的值不太关键，可选择或设计。设计方程由N. Sokal推导得出，为简化方程，将Q值设为无穷大，这在该开发板频率能力范围内的大多数应用中是合理的近似。设计需要特定的负载电阻（ (R{Load }) ）值和所需的负载功率（ (P_{Load }) ），以此驱动其他组件的值，包括电源电压的大小。

具体设计步骤如下：

1. 从负载阻抗值（ (Z{load }) ）开始，使用串联电容 (C{s}) 调谐 (Z{load }) 的电抗分量，同时作为直流阻断，得到 (R{Load }) 。忽略直流阻断会导致电源通过负载产生直流电流，增加路径中多个组件的损耗。
2. 使用图4中的方程确定额外电感 (L{e}) （方程2）和并联电容（方程3）的值。并联电容的值包括开关器件的 (C{oss}) ，需从计算值中减去 (C{oss}) 以得到实际外部电容（ (C{sh}) ）的值。首先使用方程1计算电源电压（ (V{DD}) ）的大小，进而确定器件峰值电压（ (3.56V{DD}) ），然后使用该峰值电压的均方根值确定该电压下器件的 (C{ossQ}) ，从计算的并联电容中扣除 (C{ossQ}) 得到外部并联电容（ (C{sh}) ）的值。 (C{ossQ}) 可通过对方程4中 (C{oss}) 作为电压的函数进行积分来计算。如果 (C{ossQ}) 值大于计算的并联电容，则无法实现指定负载电阻的设计，必须选择新的负载电阻（ (R_{Load }) ）。
3. 使用方程5设计扼流圈（ (L_{RFck}) ），并指定最小值。较大的值会产生较低的纹波电流，使放大器运行更稳定；值过低会导致运行损耗增加并改变放大器的运行模式。

注：在差分模式放大器的情况下，计算得到的 (L_{e}) 值由每个电路共享，因此板上每个物理组件的值必须除以2。

四、快速启动步骤

1. 确保在进行电气连接（包括适用负载）之前，整个系统已完全组装好。
2. 关闭电源，将主输入电源总线连接到J62（见图5），注意电源连接器的极性，将电压设置为0V。
3. 关闭电源，将逻辑输入电源总线连接到J90（见图5），注意电源连接器的极性，将电压设置在7V至12V之间。
4. 确保所有仪器都连接到系统，包括用于控制电路的外部振荡器。
5. 打开逻辑电源电压。
6. 打开主电源电压并增加到所需值，注意操作条件，特别是FET的热性能和电压，以防止过热和过压故障。
7. 关机时，请按相反顺序操作。

在测量高频内容开关节点时，必须注意避免使用长接地引线。板上内置了示波器探头连接（首选方法），以简化漏源电压的测量（见图5和图6）。选择示波器探头时需要考虑探头电容，因为它会与并联电容并联，从而改变放大器的工作点。

五、预防措施

EPC9051开发板展示了EPC2037 eGaN FET在E类放大器应用中的性能。尽管其电气性能优于传统硅器件，但由于其尺寸相对较小，需要注意热管理技术。该开发板没有电流或热保护，必须小心操作，避免器件过流或过热。负载阻抗范围变化过大可能导致器件损耗增加。操作人员必须观察栅极驱动器和eGaN FET的温度，确保两者都在数据手册规定的热限制范围内运行。始终检查操作条件，并使用红外相机监测EPC器件的温度。

六、物料清单

项目	数量	参考	部件描述	制造商	部件编号
1	2	C10, C20	1µF 50V	Würth	885012207103
2	2	C70, C71	100nF, 16V	Würth	885012205037
3	3	C73, C74, C75	22pF, 50V	Würth	885012005057
4	3	C90, C91, C92	1µF, 25V	Würth	885012206076
5	2	CQ1, CQ2	待定	待定	客户设计值
6	1	GP1	.1" Male Vert.	Würth	61300111121
7	3	J62, J70, J90	.1" Male Vert.	Würth	61300211121
8	2	L10, L20	待定	待定	客户设计值
9	2	Le1, Le2	待定	待定	客户设计值
10	2	Q1, Q2	100V 550mΩ	EPC	EPC2037
11	2	R73, R74	10k	Panasonic	ERJ - 2GEJ103X
12	1	R90	DNP (0Ω)	Stackpole	RMCF0603ZT0R00
13	1	U70	2 In NAND	Fairchild	NC7SZ00L6X
14	1	U71	2 In AND	Fairchild	NC7SZ08L6X
15	1	U90	5.0V 250mA DFN	Microchip	MCP1703T - 5002E/MC

总之，EPC9051开发板为工程师提供了一个全面的平台来评估和设计E类功率放大器。在使用过程中，工程师需要充分了解其特性、运行限制和设计方法，以确保开发板的稳定运行和最佳性能。大家在实际应用中是否遇到过类似开发板的问题呢？欢迎在评论区分享交流。