EPC9083开发板：高效Class - E无线功率放大器的快速入门指南

在电子工程领域，功率放大器的设计与应用一直是研究的热点。今天我们要介绍的EPC9083开发板，是一款专注于Class - E放大器技术的开发工具，它为工程师们提供了一个便捷的平台来评估eGaN® FET在Class - E放大器应用中的性能。

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一、EPC9083开发板概述

EPC9083是一款高效的差分模式Class - E放大器开发板，最高可在15 MHz频率下运行，其中6.78 MHz是无线功率应用中常用的频率。不过，该开发板并未针对特定频率进行预配置，更高频率的应用仍在评估中。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，并将其连接到现有系统中。

此外，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Class D放大器、共源双向开关以及通用高压窄脉冲宽度应用（如LiDAR）。开发板采用了额定电压为200 V的EPC2207 eGaN FET，放大器默认设置为差分模式，也可重新配置为单端模式，同时还配备了栅极驱动器和逻辑电源稳压器。

二、详细技术分析

2.1 放大器电路原理图

图1展示了单端Class - E放大器的原理图及理想工作波形，放大器连接到调谐负载（如高谐振无线功率线圈）。由于特定的设计要求（如负载电阻和工作频率），放大器尚未进行配置。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。

图2展示了差分模式Class - E放大器EPC9083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电路板的信号。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

虽然默认配置为差分模式，但演示板可以通过短路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）。

2.3 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，需要增加放大器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而呈指数增加。因此，需要确定最佳设计点，使两种极端负载电阻情况下的器件损耗相同，这可以通过试错法或电路仿真来实现。

2.4 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 (L{e}) 、并联电容 (C{sh}) 和合适的开关器件。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，为简化方程，将 (Q{L}) 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 }) 和所需的负载功率 (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。

具体设计步骤如下：

1. 从图1所示的负载阻抗 (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产生直流电流到负载，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}) 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 }) 的值。首先使用方程1计算电源电压 (V{DD}) ，进而确定器件峰值电压 (3.56· V_{DD}) 。
3. 使用器件峰值电压的有效值确定该电压下器件的 (C{ossQ}) ，这是从计算的并联电容中扣除的电容，以得到外部并联电容 (C{sh}) 的值。 (C{ossQ}) 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}) 的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 }) 。
4. 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。

三、快速启动步骤

1. 在进行电气连接（包括适用的负载）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（见图5），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（见图5），注意电源连接器的极性，将电压设置为7 V - 12 V。
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. 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。

四、注意事项

4.1 测量注意事项

在测量高频内容开关节点时，必须注意避免使用长接地线。开发板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。

4.2 热管理和保护

EPC9083开发板展示了EPC2207 eGaN FET在Class - E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运行。建议始终检查操作条件，并使用红外热像仪监测EPC器件的温度。

五、物料清单和可选组件

开发板的物料清单详细列出了各个组件的型号、数量和制造商，方便工程师进行采购和替换。同时，还提供了一些可选组件，如肖特基二极管、电感器等，可根据具体应用需求进行选择。

六、总结与建议

EPC9083开发板为工程师提供了一个全面的平台来评估和设计Class - E放大器。通过合理的设计和操作，可以充分发挥eGaN FET的优势，实现高效的功率放大。在设计过程中，工程师需要仔细考虑负载电阻、电源电压、组件参数等因素，以确保放大器的性能和稳定性。同时，要注意热管理和测量技巧，避免因操作不当导致器件损坏。大家在使用过程中是否遇到过类似的功率放大器设计问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。