符合A4WP第三等级的标准的标称工作范围
A4WP第三等级标准定义了一个宽阻抗范困一由+10jΩ到150jΩ的 maginary阻抗和1Ω到56Ω的直实阻抗，在这个范围内放大器需要能够以800 mARMS的标称电流驱动功率。当所输送的功率达到16W时会降额。图1的 Smith Chart显示了整个阻抗范图(蓝色阴影区域)——也叫“四角”(4 corners)。庄于范图是如上宽泛，所以允许rotate阻抗范围以提高放大器的效率和驱动线圈的性能。这种阻抗旋转在特定的条件下就是指启适应匹配，因为电路会主动找出线圈最合适的工作阻抗，如图中蓝色圆弧状虚线所示(针对非特定旋转)。
由于A4WP第三等级的标准的阻抗范围非常宽泛，因此设计无线电源系统的第一步是确定实际的工作阻抗范围。一旦确定后，这个数值就能够确定自适应匹配需要多少的discrete steps才可以覆盖第三等级的整个范围。放大器的实际极限包括器件的额定电压的极限、温度的极限以及在某些情况下的供电电压的极限。在本次实验性分析中，在28℃工作环境条件下，我们使用80%的器件额定电压极限和100℃的器件温度极限(红外线相机观察得出)。
图1: Smith Chart展示出实验性测试使用了符合A4WP第三等级标准的反射阻抗范围及分立负载的径迹。
高效无线电源传送的放大器拓扑
本次实验共分析了两种高效的放大器拓扑，包括采用零电压开关的D类放大器和单终端E类放大器拓扑。图2展示了每一种放大器拓扑的原理图及最理想的工作波形图。
零电压开关D类拓扑使用非谐振式零电压开关tank电路，在开关转换之间允许开关节点可以self-commutate，从而在D类拓扑有效地消除与器件的输出电容(COSS)相关的损耗。
图2: ZVS D类(左图)及E类(右图)放大器的原理图及理想波形图。
采用单器件的E类拓扑使用了谐振电路Le和Csh，它的谐振频率与工作频率不同以构建零电压开关所需的条件。在这个设计中，输出电容(COSS)与Csh有效地并联在一起，因此变成构建零电压开关所需的谐振电路的一部分。在某些情况下，当外部电容Csh的数值减至零时，采用E类拓扑的设计的限制为COSS值。
器件的比较
我们利用无线电源传送品质因数( FOMWPT)来比较eGaN FET及最优的MOSFET器件(图3)。更优越的器件的FOMWPT数值较低。我们可以看到eGaN FET的固有潜在性能在两个放大器拓扑都更为优越。
图3: 在E类及VSD类放大器拓扑比较基于eGaN FET及MOSFET的无线电源传送品质因数。
实验性验证
我们构建四个放大器，每种放大器分别采用eGaN FET及 MOSFET。基于每个器件的COSS有少许不同而小心调教每一个放大器的设计，以确保在每种情况下，器件的工作亲件相同。我们也构建了一个特别的负载来测试，它可以根据多个真实及虚构的负载设置而独立地配置。该负载使用一个VNA进行校正，以及让分立负载范围设置在+30jΩ至-30jΩ及1Ω至56Ω的范围内变化。图1展示了在不同的虚构设置条件下测量所得的实欧阻抗变化，可利用这些测量值准确地在测试功率时知道有多少功率传送至负载。
图4展示出采用ZVS D类放大器拓扑的各个虚欧阻抗设置的效率结果(包括栅极驱动功率)，而虚欧阻抗设置是实欧阻抗变化与所传送至负载的功率的函数。可以看到，在相同的工作条件下，基于eGaN FET的放大器总是高效很多。从本次实验可以看到，放大器在超过50jΩ范围(图1中的红色圆弧状虚线所示)、器件的电压及温度皆符合规格下，放大器符合A4WP标准。
图4: 在作为实欧阻抗的函数的不同虚欧阻抗，测量基于eGaN FET与 MOSFET的ZVS D类放大器的效率的比较
图5展示出采用E类放大器拓扑的各个虚欧阻抗设置的效率结果(包括栅极驱动功率)，而虚欧阻抗设置是实欧阻抗变化与所传送至负载的功率的函数。可以看到，在相同的工作条件下，基于eGaN FET的放大器总是高效很多。本次实验可以看到，放大器只在超过30jΩ范围(图1中的紫色圆弧状虚线所示)、器件的电压及温度皆符合规格下，放大器符合A4WP标准。
图5: 在作为实欧阻抗的函数的不同虚欧阻抗，测量基于eGaN FET与MOSFET的E类放大器的效率的比较。
对E类放大器来说还有一点值得注意，即虚欧阻抗如何影响工作峰值效率。这是因为虚欧阻抗与E类谐振电路Le串联在一起及会改变最优工作点。
总结
本章介绍了零电压开关D类和E类放大器拓扑分别采用氮化镓场效应晶体管( eGaN FET)或 MOSFET、在宽阻抗 变化范围内测试及比较它们的效率。在每种情况下，氮化镓场效应晶体管都能够实现更高的放大器效率。零电压开关D类放大器拓扑展示了它可以工作在超过50jΩ的范围内，而E类放大器拓扑只能在30jΩ的范围内而同时保持符合A4WP第等级的标准并工作在指定的电压和温度参数范围内。零电压开关D类拓扑的器件额定电压值可以预测并完全在系统的控制之内，而E类放大器拓扑不仅要求双倍的额定电压或更高电压，而且工作在不同负载条件下有可能导致不可预料的高峰值漏电压。更宽泛的工作范围可以将完全符合第三等级标准的分立自适应匹配电路所需的分立bit的数量减少至2个，自适应匹配电路中的每个bit都将增加无线电源传送系统的成本。对于E类拓扑来说，分立自适应匹配电路有可能需要3个或更多的bit才能完全符合第三等级标准。