EPC9052开发板：Class - E无线功率放大器快速上手

在电子工程领域，功率放大器的设计和应用一直是研究的重点。今天，我们将深入探讨EPC9052开发板，它是一款高效的差分模式Class - E放大器开发板，能够为工程师们在Class - E放大器技术的评估和应用中提供便利。

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1. EPC9052开发板概述

EPC9052开发板可在高达15 MHz的频率下工作，虽然更高频率的操作正在评估中，但目前这个频率范围已经能满足很多应用需求。其主要目的是简化使用eGaN® FET的Class - E放大器技术的评估过程，工程师可以轻松地将所有关键的Class - E组件安装在一块板子上，并方便地连接到现有系统中。

该开发板不仅适用于Class - E放大器的评估，还可用于一些使用低端开关的应用，如推挽转换器、电流模式Class D放大器、共源双向开关以及诸如LiDAR等通用高压窄脉冲宽度应用。

开发板采用了额定电压为200 V的EPC2012C eGaN FET，默认配置为差分模式，但也可以重新配置为单端模式，并且板上包含了栅极驱动器和逻辑电源调节器。

2. 详细技术分析

2.1 放大器电路原理图

从原理图来看，图1展示了单端Class - E放大器的理想操作波形，放大器连接到调谐负载，如高谐振无线功率线圈。不过，由于具体设计要求（如负载电阻和工作频率），放大器尚未进行配置。在本指南中会给出特定Class - E放大器支持组件的设计方程，进而可以计算出适用于射频放大器应用的具体值。

图2则展示了差分模式Class - E放大器EPC9052演示板的电源电路原理图。在这种模式下，输出连接在Out 1和Out 2之间，使用占空比为50%、信号幅度为0 V - 5 V的方波外部振荡器作为板子的信号。不过，占空比调制建议仅适用于熟悉Class - E放大器操作并需要额外效率的高级用户。

2.2 单端模式操作

尽管默认配置是差分模式，但演示板可以通过短路C74（仅禁用驱动电路）并将负载仅连接在Out 1和GND之间，重新配置为单端操作。

2.3 Class - E放大器的工作限制

负载电阻的变化对Class - E放大器的性能影响显著，必须仔细分析以选择最佳的设计电阻。当负载电阻低于设计值时，负载会过快地从放大器吸取电流，为了补偿这种情况，需要增加放大器的电源电压以获得所需的输出功率。这会导致开关器件承受的电压显著增加，并且在器件关断期间会出现器件体二极管导通的情况，器件损耗会随着负载电阻的减小而线性增加。

当负载电阻高于设计值时，负载从放大器吸取的电流不足，导致电压转换不完全。器件开关时，器件两端会有残余电压，从而导致并联电容（ (C{oss }+C{sh }) ）损耗，器件损耗会随着反射负载电阻的增加呈指数增加。

因此，需要确定最佳设计点，该点在两个极端负载电阻点之间，能使器件损耗相同。可以通过试错法或电路仿真来找到这个最佳设计点。

2.4 Class - E放大器设计

对于这个放大器，只需要特别设计三个组件：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_{RFC}) ）的值不太关键，可以选择或设计。

Class - E放大器的设计方程由N. Sokal推导得出。为了简化这些方程，将文献[1]中Q的值设为无穷大，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。设计需要有特定的负载电阻（ (R{Load }) ）值和期望的负载功率（ (P{Load }) ），以此开始设计，进而确定其他组件的值，包括电源电压的大小。

设计过程从负载阻抗值（ (Z{Load }) ）开始，使用串联电容 (C{s}) 调谐出 (Z{Load }) 的电抗分量，该电容还起到直流阻断的作用，得到 (R{Load }) 。忽略直流阻断的需求是常见的错误，否则会导致电源通过负载产生直流电流，从而增加该路径中几个组件的额外损耗。

通过图4中的方程，可以确定额外电感 (L{e}) 和并联电容 (C{sh}) 的值。并联电容的值包括开关器件的 (C{oss}) ，需要从计算值中减去 (C{oss}) 以得到实际的外部电容（ (C{sh}) ）值。首先使用方程1计算电源电压（ (V{DD}) ）的大小，进而确定器件的峰值电压（ (3.56V{DD}) ）。然后使用峰值器件电压的有效值来确定该电压下器件的 (C{oss}Q) ，即从计算出的并联电容中扣除的电容值。 (C{oss}Q) 可以通过对方程4中 (C{oss}) 作为电压的函数进行积分来计算。如果 (C{oss}Q) 值大于计算出的并联电容，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 }) ）。

最后，可以使用方程5设计扼流圈（ (L_{RFC}) ），在这种情况下，指定了一个最小值。较大的值会产生较低的纹波电流，从而使放大器运行更稳定；而过低的值会导致运行损耗增加并改变放大器的工作模式，在某些情况下这可能是有意为之。

需要注意的是，在差分模式放大器的情况下，计算出的 (L_{e}) 值由每个电路共享，因此板上的每个物理组件必须将其除以2。

3. 快速启动步骤

EPC9052放大器板易于设置，用于评估eGaN FET在Class - E放大器应用中的性能。一旦完成无源组件的设计并安装，就可以对板子进行上电和测试。

1. 系统组装：在进行电气连接之前，确保整个系统（包括适用的负载）已完全组装好。
2. 主输入电源连接：在电源关闭的情况下，将主输入电源总线连接到J62（如图5所示），注意电源连接器的极性，并将电压设置为0 V。
3. 逻辑输入电源连接：同样在电源关闭时，将逻辑输入电源总线连接到J90（如图5所示），注意电源连接器的极性，将电压设置在7 V - 12 V之间。
4. 仪器连接：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. 开启逻辑电源：打开逻辑电源电压。
6. 开启主电源：打开主电源电压并将其增加到所需值。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. 参数观察：确认操作正常后，观察放大器和器件板上的器件电压、效率和其他参数。
8. 关机：关机时，请按相反顺序进行操作。

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。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。

4. 预防措施

EPC9052开发板展示了EPC2012C eGaN FET在Class - E放大器应用中的性能。虽然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，因此必须小心操作，避免器件过流或过热。负载阻抗范围的过度变化会导致器件损耗增加。操作人员必须观察栅极驱动器和eGaN FET的温度，确保它们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。

5. 物料清单

文档中还提供了放大器板的物料清单（表2），列出了各个组件的数量、参考编号、描述、制造商和零件编号等信息，为工程师在实际设计和组装过程中提供了详细的参考。

总之，EPC9052开发板为Class - E放大器技术的研究和应用提供了一个很好的平台。通过深入了解其原理、设计和操作方法，工程师们可以更好地利用这款开发板进行相关的实验和开发工作。大家在实际应用中是否遇到过类似开发板的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。