高效E类功率放大器的设计

### 高效E类功率放大器的设计 #### 引言 在无线通信系统中，发射机占据了大部分功耗，而其中末级功率放大器作为关键部件，在功率损耗方面扮演着重要角色。对于不同类型的发射机而言，末级功率放大器往往占据了整个系统功耗的60%至90%，这直接影响了系统的整体性能。因此，研发高效率功率放大器的设计技术对于提升发射机的功率效率、减少电源消耗、缩小整机尺寸以及降低生产与维护成本等方面具有极其重要的意义，尤其是在通信对抗领域。 #### 功率放大器提高效率的途径 功率放大器从A类（甲类）、B类（乙类）、C类（丙类）逐步演进到D类和E类开关功率放大器，其核心目标是为了提高放大器的效率。各类放大器的工作状态及其理想效率如下： - **A类（甲类）工作状态**：导通角为180°，理想效率为50%。 - **B类（乙类）工作状态**：导通角为90°，理想效率为78.5%。 - **C类工作状态**：导通角小于90°，其效率高于B类。 随着导通角的减小和激励功率的增加，放大器的效率得到了提升。然而，当导通角减小到零时，虽然理想效率理论上可以达到100%，但此时输出功率也为零，因此这种方式并不实用。E类功率放大器通过使晶体管工作在开关状态，即在电流i流通时电压v几乎为零，在电流i截止时电压v很大，从而使得任意时刻i与v的乘积都很小甚至趋于零，大大降低了晶体管的耗散功率，实现了接近100%的理想效率。 #### E类功率放大器的工作原理及其设计方法 ##### 工作原理 E类功率放大器的基本原理电路图如图1所示，其中左端的开关代表处于开关状态下的晶体管；Cp表示晶体管结电容及外部补充的电容；输出电路由Ls和Cs组成，包括一个谐振于信号频率的LC谐振电路和一个用于补偿输出电压的电抗（在50Ω系统中，还包括匹配电路），该电抗用于校正输出电压以获得最高效率；R代表放大器的负载电阻。  E类放大器中各点的电流电压波形如图2所示，具体分为以下三个过程进行描述： 1. **导通阶段**：在此期间，晶体管完全导通，输出电压Vout接近于零，而输出电流Iout则较大，流过负载R。 2. **关断阶段**：晶体管关闭后，输出电压迅速上升至最大值Vcc，而输出电流则迅速下降至零。 3. **死区时间**：在这短暂的时间内，晶体管既不导通也不完全关闭，输出电压和电流都非常小。  ##### 设计计算方法 为了设计高效的E类功率放大器，需要考虑以下几个关键因素： 1. **晶体管的选择**：选择具有低导通电阻和快速开关特性的晶体管。 2. **负载网络的设计**：设计合适的LC谐振电路，确保在工作频率下实现最佳阻抗匹配。 3. **补偿电抗的设计**：确定合适的电抗值，以校正输出电压并提高效率。 4. **供电电压的选择**：根据设计需求确定最适宜的供电电压水平。 5. **散热设计**：由于E类放大器的实际效率通常接近90%，但仍有一部分功率损耗转化为热量，因此有效的散热措施也是必不可少的。 通过对这些参数的精心设计与调整，可以成功设计出一款高效能的E类功率放大器，实测效率接近90%，且具有体积小、增益高的特点。 E类功率放大器通过独特的开关工作模式，能够显著提高效率，减少功耗，并实现小型化，是实现通信对抗领域中高效率、高功率、小型化功率放大器的关键技术之一。