探索GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS：高效音頻放大器與電源解決方案

在音頻電子設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，追求高效、高性能和高音質(zhì)一直是工程師們的不懈追求。今天，我們將深入探討GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS，這是一款由GaN Systems推出的評(píng)估套件，它集成了高效的200W立體聲D類(lèi)放大器和帶有PFC的LLC開(kāi)關(guān)模式電源，為音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了全新的可能性。

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一、引言

GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS技術(shù)手冊(cè)著重介紹了一款400W（200W立體聲）D類(lèi)放大器及其配套的帶有PFC的開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）的性能、優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。這款高性能的立體聲D類(lèi)放大器支持“開(kāi)環(huán)”和“閉環(huán)”兩種工作模式，并提供多種標(biāo)準(zhǔn)音頻源輸入。其音頻放大器的D類(lèi)輸出級(jí)采用了100V GaN增強(qiáng)型HEMT（E-HEMT）器件，而SMPS則由先進(jìn)的數(shù)字控制方法結(jié)合650V GaN增強(qiáng)型E-HEMTs進(jìn)行控制。這種無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案具有極高的效率、高功率密度、可靠的啟動(dòng)性能、低THD和低EMI等優(yōu)點(diǎn)。

核心器件優(yōu)勢(shì)

• Renesas D2Audio DAE - 3數(shù)字控制處理器：集成了24位定點(diǎn)DSP、硬件加速器、異步采樣率轉(zhuǎn)換器、故障恢復(fù)和保護(hù)系統(tǒng)等，支持高達(dá)768kHz的開(kāi)關(guān)頻率，能實(shí)現(xiàn)極低的噪聲性能。
• GaN Systems E - HEMTs：在D類(lèi)放大器和SMPS設(shè)計(jì)中均有應(yīng)用，采用專(zhuān)利的Island Technology?單元布局，減小了器件尺寸和成本，同時(shí)提供更高的電流和更好的性能。例如GS61008P采用GaNPX?封裝，具有低電感和熱阻；GS - 065 - 030 - 2 - L和GS - 065 - 011 - 2 - L采用PDFN封裝，具有低結(jié)到殼熱阻。

驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)

• EZDrive?電路：這是一種低成本、易于實(shí)現(xiàn)的GaN E - HEMT驅(qū)動(dòng)電路，適用于任何功率水平、開(kāi)關(guān)頻率和LLC及/或PFC控制器，能為效率和EMI優(yōu)化提供設(shè)計(jì)控制。

二、解決方案概述

音頻放大器性能

該參考設(shè)計(jì)為完整的立體聲D類(lèi)音頻放大器設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)每通道200W（8歐姆負(fù)載）、300W（4歐姆負(fù)載）的輸出功率，連續(xù)輸出功率可達(dá)400W。通過(guò)適當(dāng)?shù)纳岷蜔峁芾?，功率還可以輕松擴(kuò)展。滿載效率超過(guò)96%，低THD + N < 0.03%，并且在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中還可以進(jìn)一步優(yōu)化。

電源供應(yīng)能力

同時(shí)，它也為帶有功率因數(shù)校正（PFC）的完整LLC電源設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。支持通用交流輸入電壓（85V - 264V），輸出為±32VDC穩(wěn)壓電壓，連續(xù)輸出功率為400W。同樣，通過(guò)重新設(shè)計(jì)磁性元件和提供適當(dāng)?shù)纳岷蜔峁芾?，功率也可以輕松擴(kuò)展，滿載效率超過(guò)90%。

方案優(yōu)勢(shì)總結(jié)

• 無(wú)風(fēng)扇、自供電設(shè)計(jì)：無(wú)需外部直流電源，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
• 高度集成：與D2Audio控制器/DSP高度集成，減少了外部組件的使用。
• 高效性能：在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效率，得益于GaN E - HEMTs和先進(jìn)的控制技術(shù)。
• 易于擴(kuò)展：通過(guò)選擇合適的磁元件和GaN器件，可以輕松擴(kuò)展到更高的功率。

三、設(shè)計(jì)實(shí)例

完整音頻系統(tǒng)解決方案

GaN Systems評(píng)估平臺(tái)提供了一個(gè)基于GaN的完整音頻系統(tǒng)解決方案，評(píng)估套件捆綁包包括一個(gè)高效的基于GaN的帶有PFC的LLC SMPS和一個(gè)高性能、高效率的基于GaN的D類(lèi)立體聲放大器。所有分立功率器件均采用GaN Systems的E - HEMTs，以實(shí)現(xiàn)效率、EMI/EMC性能和音頻性能之間的最佳平衡。

SMPS詳細(xì)設(shè)計(jì)

SMPS包括一個(gè)“通用輸入”前端PFC和一個(gè)半橋LLC后端，以在最小的物理尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高效率。其主要組件包括：

1. 交流輸入濾波：采用雙共模扼流圈、EMI/EMC濾波器和保險(xiǎn)絲。
2. 并聯(lián)二極管橋：用于整流。
3. 通用電壓功率因數(shù)校正（PFC）：由NCP1654 - 133kHz PFC控制器、單個(gè)GaN Systems GS - 065 - 030 - 2 - L E - HEMT、EZDrive?電路和8A、500uH PFC電感組成。
4. 穩(wěn)壓LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器：包括NCP1399 LLC控制器、GaN Systems GS - 065 - 011 - 2 - L E - HEMT半橋、帶有集成電感的LLC變壓器、全波輸出橋和±32VDC分裂軌輸出。

立體聲D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)

立體聲D類(lèi)放大器采用雙橋接負(fù)載輸出拓?fù)?，以?shí)現(xiàn)最高的功率輸出和最低的電壓軌，并允許接地參考輸出。它提供了多種標(biāo)準(zhǔn)音頻源輸入，可通過(guò)板載MCU進(jìn)行選擇，包括同軸數(shù)字（S/PDIF）、光數(shù)字（TOSLINK – S/PDIF）、立體聲RCA模擬和3.5mm立體聲模擬輸入。放大器PCBA為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)GaN Systems音頻放大器配置提供了一個(gè)通用的評(píng)估平臺(tái)，用于測(cè)量和聆聽(tīng)性能評(píng)估和比較。

四、評(píng)估板測(cè)試臺(tái)設(shè)置與配置

在使用評(píng)估板時(shí)，需要注意一些安全事項(xiàng)，如不要在無(wú)人看管時(shí)給評(píng)估套件通電，連接電路板到帶電線路時(shí)可能會(huì)有觸電危險(xiǎn)，必須由專(zhuān)業(yè)人員小心操作，建議使用帶有過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)的隔離測(cè)試設(shè)備等。

高性能設(shè)置步驟

1. 將所需的音頻源輸入連接到相應(yīng)的音頻輸入連接器。
2. 將相應(yīng)的音頻輸入電纜連接到音頻源（或前置放大器）。
3. 如果尚未連接，使用提供的電纜將GaN Systems SMPS連接到GaN Systems放大器（提供±32VDC）。
4. 將交流線適配器連接到標(biāo)準(zhǔn)交流電源線。
5. 將交流電源線插入“可切換”交流輸入或多插座插排。
6. 將GaN Systems放大器的左右揚(yáng)聲器輸出連接到所選的揚(yáng)聲器。注意，兩個(gè)揚(yáng)聲器輸出均為接地參考，但均未連接到地，切勿將這些揚(yáng)聲器輸出連接到任何系統(tǒng)或測(cè)試設(shè)備的地。
7. 開(kāi)啟±32VDC SMPS電源。
8. 使用“輸入選擇”開(kāi)關(guān)選擇所需的音頻源輸入。
9. 將音量控制旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)幾圈。
10. 使用“開(kāi)環(huán)/閉環(huán)”開(kāi)關(guān)選擇所需的配置。
11. 播放音頻源。
12. 如需連接到Audio Canvas III并控制音頻信號(hào)流和硬件，請(qǐng)參考附錄A和附錄B。

五、評(píng)估板測(cè)試與驗(yàn)證

初始評(píng)估板使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法、公認(rèn)的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。測(cè)試臺(tái)配備了Audio Precision AP2700 System Two Cascade和AES - 17濾波器、Audio Precision AUX0025無(wú)源輸出濾波器等設(shè)備。進(jìn)行的測(cè)試包括性能規(guī)格測(cè)試（如功率輸出）、性能表征測(cè)試（如THD + N與功率/電平、頻率的關(guān)系、頻率響應(yīng)、噪聲底等）。

六、基礎(chǔ)測(cè)試結(jié)果與特性分析

THD + N與功率關(guān)系

從THD + N與功率（電平）的曲線可以看出，在低信號(hào)電平下，開(kāi)環(huán)放大器的THD性能優(yōu)于閉環(huán)方法，這主要是由于反饋帶來(lái)的噪聲增加。然而，隨著音頻信號(hào)電平的增加，閉環(huán)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，但開(kāi)環(huán)架構(gòu)的THD + N表現(xiàn)也相當(dāng)不錯(cuò)，這得益于輸出級(jí)GaN E - HEMT的出色開(kāi)關(guān)特性。通過(guò)開(kāi)環(huán)架構(gòu)緊密控制死區(qū)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)接近閉環(huán)的THD性能。

THD + N與頻率關(guān)系

在THD + N與頻率的曲線中，開(kāi)環(huán)架構(gòu)在低頻時(shí)THD + N增加，主要是由于缺乏電源抑制和SMPS對(duì)系統(tǒng)性能的影響。但在中高頻段，開(kāi)環(huán)架構(gòu)很快接近閉環(huán)架構(gòu)的性能。

噪聲底影響

噪聲底的巨大差異（12dB）最終影響了所有音頻測(cè)量的低信號(hào)電平性能。

七、結(jié)論

綜上所述，GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS參考設(shè)計(jì)為客戶(hù)快速開(kāi)發(fā)完整的D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)和配套電源設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，包括散熱、熱管理和適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)設(shè)置。它展示了GaN技術(shù)在音頻系統(tǒng)中的巨大潛力，為工程師們提供了一個(gè)高效、高性能的設(shè)計(jì)方案。

八、附錄

7.1 Audio Canvas III安裝

必須安裝并使用Audio Canvas III控制表面GUI的3.2.6版本。首次安裝時(shí)，需卸載任何以前的版本，解壓文件，運(yùn)行“Setup”程序（在Windows 8或10下需以管理員身份運(yùn)行），按照安裝向?qū)瓿砂惭b。

首次連接硬件

安裝完成后，可使用SCAMP - 7/8 USB編程/調(diào)諧“Dongle”將設(shè)備連接到PC。連接過(guò)程包括將Dongle電纜連接到目標(biāo)硬件，開(kāi)啟目標(biāo)硬件，將Dongle連接到PC的USB端口，更新驅(qū)動(dòng)程序等步驟。

在使用該評(píng)估套件時(shí)，用戶(hù)需要注意評(píng)估板僅用于工程開(kāi)發(fā)、演示和評(píng)估目的，不適合一般消費(fèi)者使用，可能不滿足某些相關(guān)法規(guī)要求等重要注意事項(xiàng)。電子工程師們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)這些信息，充分發(fā)揮GS-EVB-AUD-BUNDLE2-GS的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出更出色的音頻系統(tǒng)。各位工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到過(guò)哪些類(lèi)似方案的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。