EPC9053开发板：高效Class - E无线功率放大器快速上手

在电子工程领域，高效功率放大器的设计与应用一直是研究的热点。今天，我们就来深入探讨EPC9053开发板，一款基于EPC2019C Class - E无线功率放大器的开发工具。

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开发板概述

EPC9053是一款高效的差分模式Class - E放大器开发板，最高可在15 MHz频率下工作，更高频率目前还在评估中。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放大器评估，还可用于使用低端开关的应用，如推挽转换器、电流模式Class D放大器、共源双向开关以及激光雷达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EPC2019 eGaN FET，默认工作在差分模式，也可重新配置为单端模式，并且板上包含栅极驱动器和逻辑电源稳压器。

详细技术分析

放大器电路原理

单端Class - E放大器连接到调谐负载（如高谐振无线功率线圈）时，其理想工作波形如图1所示。由于具体设计要求（如负载电阻和工作频率）不同，放大器需要进行相应配置。本指南给出了特定Class - E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。

差分模式Class - E放大器EPC9053演示板的电源电路原理图如图2所示。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的信号。不过，占空比调制建议仅由熟悉Class - E放大器操作且需要额外效率的高级用户使用。

单端模式操作

虽然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）并将负载仅连接在Out 1和GND之间，重新配置为单端操作（详见图2和图5）。

Class - E放大器的工作限制

负载电阻变化对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，为补偿这种情况，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，并且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，负载从放大器吸取的电流不足，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，器件损耗随反射负载电阻增加呈指数增加。因此，需要确定最佳设计点，使两个极端负载电阻点的器件损耗相同，可通过试错法或电路仿真找到该点。

Class - E放大器设计

对于该放大器，仅需专门设计三个组件：额外电感（Le）、并联电容（ (C) ）和选择合适的开关器件。射频扼流圈（ (L_{RFck}) ）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。为简化计算，在大多数应用中可将某些参数设为无穷大。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。

设计过程从负载阻抗值（ (Z{Load}) ）开始，使用串联电容 (C{s}) 调谐 (Z{Load}) 的电抗分量，同时作为直流阻断电容，得到 (R{Load}) 。忽略直流阻断电容会导致电源产生直流电流通过负载，增加路径中多个组件的损耗。

首先，使用图4中的方程确定额外电感Le（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}) ，需要从计算值中减去 (C{oss}) 以得到实际的外部电容（ (C) ）值。为此，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（ (3.56 cdot V{DD}) ）。然后，使用峰值器件电压的有效值确定该电压下器件的 (COSQ) ，即从计算的并联电容中扣除的电容值， (COSQ) 可通过对方程4中 (C{oss }) 关于电压的积分计算得到。如果 (C{oss}) 值大于计算的并联电容值，则无法实现指定负载电阻的设计，需要选择新的负载电阻（ (R_{Load }) ）。

最后，使用方程5设计扼流圈（ (L_{RFck}) ），并指定一个最小值。较大的值可降低纹波电流，使放大器工作更稳定；值过低会增加工作损耗并改变放大器的工作模式。

快速启动步骤

EPC9053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。完成无源组件的设计和安装后，即可对开发板进行上电和测试。

1. 在进行电气连接（包括适用负载）之前，确保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（如图5所示），注意电源连接器的极性，将电压设置为0 V。
3. 关闭电源，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. 确保所有仪器都已连接到系统，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. 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. 关机时，请按相反顺序操作。

注意事项

在测量高频内容的开关节点时，要注意避免使用过长的接地引线。开发板内置了示波器探头连接（首选方法），用于简化漏源电压的测量（如图5所示）。选择示波器探头时，需要考虑探头尖端电容，因为它会与并联电容并联，从而改变放大器的工作点。

此外，EPC9053开发板展示了EPC2019 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，但由于尺寸相对较小，需要注意热管理技术。开发板没有电流或热保护，操作时要避免器件过流或过热。负载阻抗范围变化过大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极限内工作。建议使用红外相机检查操作条件并监测EPC器件的温度。

EPC9053开发板为电子工程师提供了一个便捷的平台，用于评估和开发Class - E放大器技术。通过合理设计和操作，可以充分发挥其高效性能，为无线功率传输等应用带来新的可能性。大家在实际应用中是否遇到过类似开发板的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。