EPC9509无线功率放大器演示系统快速上手

在无线功率传输技术领域，EPC9509 演示系统是一款备受关注的产品。它为工程师们提供了一个便捷的平台，用于评估氮化镓（eGaN）场效应晶体管（FET）在无线功率放大器技术中的应用。下面就为大家详细介绍 EPC9509 的相关特性、操作方法以及注意事项。

文件下载：EPC9509.pdf

一、EPC9509 简介

EPC9509 是一款高效的零电压开关（ZVS）D 类无线功率放大器演示板，工作频率为 6.78 MHz（最低工业、科学和医疗频段）。其设计目的是简化使用 eGaN FET 的无线功率放大器技术的评估过程，将所有关键组件集成在一块板上，方便连接到现有系统中。

1. 核心组件

• EPC2108 eGaN FET：采用增强型半桥场效应晶体管，额定电压 60 V，集成了同步自举 FET。
• EPC2036：作为 SEPIC 转换器的主开关器件，额定电压 100 V，导通电阻 65 mΩ。

2. 工作模式

该放大器可设置为差分模式或单端模式，并包含栅极驱动器、振荡器和预调节器的反馈控制器，确保基于 A4WP 标准进行无线功率控制，能够在高达 ±50j Ω 的负载范围内进行符合 A4WP 3 类标准的测试。

二、详细功能特性

1. 预调节器

预调节器用于控制 ZVS D 类无线功率放大器，基于三个反馈参数：线圈电流大小（由绿色 LED 指示）、放大器消耗的直流功率（由黄色 LED 指示）以及放大器的最大电源电压（由红色 LED 指示）。任何时候仅使用一个参数来控制预调节器，优先级依次为放大器的最大供电电压、放大器的功率、线圈电流大小。放大器的最大供电电压预设为 52 V，最大消耗功率预设为 16 W，线圈电流大小预设为 800 mARMS（可通过 P25 进行调节）。预调节器包含一个 SEPIC 转换器，可在 17 V 至 24 V 的电压范围内满功率运行。

2. 振荡器

放大器自带低供电电流振荡器，预编程为 6.78 MHz ± 678 Hz。可通过在 JP70 插入跳线禁用，也可使用外部控制的集电极/漏极晶体管在 JP70 端子上进行外部关闭。还可以使用外部振荡器代替内部振荡器，只需将其连接到 J70 并移除跳线 JP71。

3. 工作模式指示

EPC9509 配备 3 个 LED 指示灯，用于指示系统的工作模式：

• 绿色 LED：系统处于线圈电流限制模式时亮起。
• 黄色 LED：系统处于功率限制模式时亮起。
• 红色 LED：预调节器达到最大输出电压时亮起，表示系统不再符合 A4WP 标准，因为负载阻抗过高，放大器无法驱动。

4. 单端或差分模式操作

• 单端模式：具有较高的放大器效率，但虚阻抗驱动能力降低。
• 差分模式：放大器能够驱动 1 Ω 至 56 Ω 以及 ±50j Ω 的阻抗范围，可保持 800 mAsms 线圈电流或提供高达 16 W 的功率。EPC9509 默认设置为差分模式，可通过在 J75 插入跳线切换到单端模式。

5. ZVS 定时调整

设置正确的时间以实现 ZVS 转换对于 EPC9509 放大器实现高效率至关重要。可通过选择 R71、R72、R77 和 R78 或 P71、P72、P77 和 P78 的值来完成。建议使用电位器确定固定电阻值，该过程在单端和差分模式下相同。具体步骤如下：

1. 关闭电源，移除 JP1 中的跳线并将其插入 JP50，使 EPC9509 放大器进入旁路模式。将主输入电源（+）连接到 JP1（底部引脚，用于旁路模式），接地连接到 J1 接地（-）。
2. 关闭电源，将控制输入电源总线（19 V）连接到（+）连接器（J1），注意电源连接器的极性。
3. 将低电容示波器探头连接到要设置的半桥的探头孔，并靠在接地柱上。
4. 打开控制电源，确保电源约为 19 V。
5. 打开主电源电压，从 0 V 开始逐渐增加到所需的主要工作值（如 24 V，但绝不能超过绝对最大电压 52 V）。
6. 观察示波器，调整适用的电位器以实现图 5 中的绿色波形。
7. 对另一个半桥重复上述步骤。
8. 如果需要，用固定值电阻替换电位器。移除 JP50 中的跳线并将其插回 JP1，使 EPC9509 恢复到预调节器模式。

6. 确定 Lzvs 组件值

ZVS 谐振电路不工作在谐振状态，仅为输出电压在关断时的自换相提供必要的负器件电流。电容 (C{ZVS1}) 和 (C{ZVS2}) 选择为具有非常小的纹波电压分量，通常约为 1 µF。放大器电源电压、开关节点过渡时间将决定 (LZVSX) 的电感值，该值需要足够大以在直流器件负载电阻范围以及器件与源线圈之间的耦合范围内维持 ZVS 操作，可使用以下公式计算： [L{zvs}=frac{Delta t{vt}}{8 cdot f{sw} cdotleft(C{OSQ}+C_{well}right)}] 其中：

• (Delta t_{it})：电压过渡时间 [s]
• (f_{sw})：工作频率 [Hz]
• (CossQ)：电荷等效器件输出电容 [F]
• (Cwell)：栅极驱动器阱电容 [F]（对于 LM5113，使用 20 pF）

需要注意的是，放大器电源电压 (VANE) 未包含在公式中，因为它已由电压过渡时间考虑在内。EPC2108 eGaN FET 的 (Coss) 非常低，低于栅极驱动器阱电容 (Cwell)，因此在 ZVS 定时计算中必须包含 (Cwell)。电荷等效电容可使用以下公式确定： [C{OSSQ}=frac{1}{ V{AMP}} cdot int{0}^{V{AMP}} C_{oss}(v) cdot dv]

为了增加线圈阻抗变化的抗干扰裕度，可以减小 (Lzys) 的值以增加器件关断时的电流（这将增加器件损耗）。典型的电压过渡时间范围为 2 ns 至 12 ns。在差分情况下，计算 ZVS 电感时电压和电荷（(CossQ)）加倍。

三、快速启动程序

EPC9509 放大器板易于设置和评估 eGaN FET 在无线功率传输应用中的性能，可通过以下两种方法操作：

1. 使用预调节器

• 预调节器用于在该模式下为放大器供电，并根据预设设置限制线圈电流、放大器的功率或最大供电电压。
• 主 19 V 电源必须能够提供 2 ADC。启动板时，不要升高该电源的电压，只需打开电源即可。
• 具体步骤如下：
  1. 在进行电气连接之前，确保整个系统完全组装好，并确保跳线 JP1 已安装。同时确保源线圈和带负载的设备线圈已连接。
  2. 关闭电源，将主输入电源总线连接到 J1，注意电源连接器的极性。
  3. 确保所有仪器都连接到系统。
  4. 将主电源电压打开到所需值（19 V）。
  5. 确认操作正常后，观察放大器和设备板上的输出电压、效率和其他参数。
  6. 关机时，请按相反顺序操作。

2. 绕过预调节器

• 在该模式下，预调节器被绕过，主电源直接连接到放大器，允许使用外部调节器操作放大器。但此模式下没有确保 eGaN FET 正确工作条件的保护措施。
• 具体步骤如下：
  1. 在进行电气连接之前，确保整个系统完全组装好，并确保跳线 JP1 已移除并安装在 JP50 中，以禁用预调节器并将 EPC9509 置于旁路模式。同时确保源线圈和带负载的设备线圈已连接。
  2. 关闭电源，将主输入电源总线 (+V) 连接到 JP1 的底部引脚，接地连接到 J1 的接地端。
  3. 关闭电源，将控制输入电源总线连接到 J1，注意电源连接器的极性，该电源用于为栅极驱动器和逻辑电路供电。
  4. 确保所有仪器都连接到系统。
  5. 打开控制电源，确保电源在 19 V 范围内。
  6. 打开主电源电压到所需值（建议从 0 V 开始，不要超过绝对最大电压 52 V）。
  7. 确认操作正常后，在工作范围内调整主电源电压，并观察放大器和设备板上的输出电压、效率和其他参数。
  8. 关机时，请按相反顺序操作，先将主电源电压降低到 0 V，然后依次执行步骤 6 至 2。

四、热管理与注意事项

1. 热管理

EPC9509 演示系统展示了 EPC2108 和 EPC2036 eGaN FET 在无线能量传输应用中的性能。尽管其电气性能优于传统硅器件，但由于尺寸相对较小，对热管理的要求更高。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范围内运行。

2. 注意事项

• 线圈调整：如果需要调整线圈以适应特定条件，请联系 EPC（info@epc - co.com），以便正确调整其与 ZVS D 类放大器的配合使用。
• 过热风险：设备上没有散热器，在实验评估过程中，可能会出现导致设备过热的情况。始终检查工作条件，并使用红外相机监测 EPC 设备的温度。
• 避免损坏仪器：切勿将 EPC9509 放大器板连接到矢量网络分析仪（VNA）以测量放大器的输出阻抗，否则会严重损坏 VNA。

五、物料清单

文档中提供了详细的物料清单，涵盖了电容、电阻、二极管、晶体管、电感、连接器等各种组件，为工程师进行设计和维修提供了参考。

EPC9509 演示系统为无线功率放大器技术的评估提供了一个全面且便捷的平台。工程师们在使用过程中，只要按照上述步骤进行操作，并注意相关的热管理和注意事项，就能充分发挥其性能，推动无线功率传输技术的发展。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。