EPC9058开发板：高效E类放大器的快速入门指南

在电子工程领域，高效功率放大器的设计一直是研究的热点。EPC公司的EPC9058开发板为工程师提供了一个便捷的平台，用于评估E类放大器技术。本文将详细介绍EPC9058开发板的特点、工作原理、设计要点以及快速入门步骤。

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开发板概述

EPC9058是一款高效的差分模式E类放大器开发板，最高可在15 MHz频率下工作，其中6.78 MHz是无线电源应用中常用的频率。该开发板未针对特定频率进行预配置，旨在简化使用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。

除了无线电源应用，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）。开发板采用了额定电压为120 V的EPC2110 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，并包含栅极驱动器和逻辑电源稳压器。

详细描述

放大器板

图1展示了单端E类放大器的原理图和理想工作波形，放大器连接到调谐负载，如高谐振无线电源线圈。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。

图2显示了差分模式E类放大器EPC9058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的信号。建议仅熟悉E类放大器操作并需要额外效率的高级用户进行占空比调制。

EPC9058还配备了一个5 V稳压器，为逻辑电路和栅极驱动器供电。在R90位置添加一个0 Ω电阻，可使EPC9058使用单电源电压供电，但在此配置下，最大工作电压限制在7 V - 12 V之间。

单端模式操作

尽管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）。

E类放大器的工作限制

负载电阻变化对E类放大器的性能有显著影响，必须仔细分析以选择最佳设计电阻。图3展示了负载电阻（R_Load）变化对E类放大器操作的影响。当负载电阻低于设计值时，负载会过快地从放大器汲取电流，为了补偿这种情况，需要增加放大器电源电压以产生所需的输出功率，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，器件损耗随负载电阻的减小呈线性增加。当负载电阻高于设计值时，负载从放大器汲取的电流不足，导致电压过渡不完全，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，器件损耗随反射负载电阻的增加呈指数增加。

在这两种极端负载电阻情况下，必须确定它们之间的最佳点，该最佳点可通过试验和错误或电路仿真找到，此时两种极端负载电阻点的器件损耗相同，如图3下部中心图所示。

E类放大器设计

对于该放大器，仅需要专门设计三个组件：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，可以选择或设计。

E类放大器的设计方程由N. Sokal推导得出。为了简化，在大多数应用中，可将[1]中的eq设为无穷大，这是一个合理的近似。设计需要有特定的负载电阻（R_Load）值和所需的负载功率（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。

E类放大器无源组件的设计从负载阻抗值（Z_Load）开始，如图1所示。使用串联电容C_s调谐Z_Load的电抗分量，同时该电容也作为直流阻断电容，得到R_Load。忽略直流阻断电容的需求是一个常见的错误，否则会导致电源产生直流电流通过负载，从而导致该路径中多个组件的额外损耗。

首先，使用图4中的方程，可以确定额外电感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，必须从计算值中减去该值以得到实际的外部电容（C_sh）值。为此，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（3.56·V_DD）。

然后，使用器件峰值电压的RMS值确定该电压下器件的C_OSSQ，该电容将从计算的并联电容中扣除，以得到外部并联电容（C_sh）的值。器件的C_OSSQ可以通过使用方程4对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值，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_RFck），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。值过低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。

快速入门步骤

EPC9058放大器板易于设置，可用于评估eGaN FET在E类放大器应用中的性能。完成无源组件的设计并安装后，即可对板进行通电和测试。

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，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. 从0 V开始打开主电源电压，并增加到所需的值。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，请按相反顺序执行上述步骤。

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（如图6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。

EPC9058开发板展示了EPC2110 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。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极限内运行。始终检查操作条件，并使用红外相机监测EPC器件的温度。

总之，EPC9058开发板为工程师提供了一个强大的工具，用于评估和设计高效的E类放大器。通过遵循本文介绍的设计要点和快速入门步骤，工程师可以快速上手并开展相关实验。你在使用E类放大器开发板时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。