通過(guò)D類功率放大器實(shí)現(xiàn)寬范圍可調(diào)的PWM開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

引言

很多電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制過(guò)程中，都需要各種各樣的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試用通用穩(wěn)壓電源。這一類電源要求有較寬的調(diào)節(jié)范圍、一定的輸出功率以及完善的保護(hù)功能。以往的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試用電源，為了實(shí)現(xiàn)輸出的寬范圍調(diào)節(jié)，大多使用基于模擬串、并聯(lián)電路的穩(wěn)壓方式，其效率低下已是人們的共識(shí)。PWM脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)，大大提高了電源的效率，可是，現(xiàn)在的PWM開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用，大多局限在成品電器設(shè)備的固定電壓的輸出模式，其電壓可調(diào)范圍十分有限，而開(kāi)關(guān)電源在通用電源的寬范圍可調(diào)應(yīng)用上并不普遍，特別是在對(duì)稱的正負(fù)范圍輸出的可調(diào)應(yīng)用上，即使有這樣的產(chǎn)品其價(jià)格也相對(duì)較高。

結(jié)合PWM開(kāi)關(guān)電源的原理對(duì)D類功放的工作原理進(jìn)行了分析，認(rèn)為利用D類功放可以在較為經(jīng)濟(jì)的條件下，方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍可調(diào)的PWM開(kāi)關(guān)電源。

1、D類功率放大器的工作原理

如圖1所示，D類音頻功率放大器由兩部分構(gòu)成。第一部分是輸入比較和PWM信號(hào)形成電路，該電路中的三角波發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率和幅度的三角波信號(hào)作為脈寬調(diào)制的比較標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)比較器和輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行比較后輸出PWM信號(hào)，該信號(hào)的脈寬是隨著音頻信號(hào)幅度的變化而成正比例地變化。放大器中的三角波、音頻正弦信號(hào)產(chǎn)生的PWM波形及關(guān)系如圖2所示。第二部分是H橋脈寬功率放大電路和輸出大功率濾波電路，如圖3所示。

第一部分電路得到的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)整形放大，驅(qū)動(dòng)H橋中與高壓大功率電源相連的的4只大功率CMOS開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通，控制末級(jí)電源向負(fù)載提供的電流，從而獲得大功率的PWM信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)過(guò)負(fù)載前的LC濾波器，利用電感電容的充放電效應(yīng)在負(fù)載上獲得大功率的音頻信號(hào)。D類功放中H橋輸出的穩(wěn)定程度，決定于給H橋供電電源的穩(wěn)定性，故在D類功放末級(jí)必須使用穩(wěn)壓電源。

2、在D類功率放大器原理基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)制開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路

從上面分析D類功率放大器的工作原理可以得出下述幾點(diǎn)推理。

1）當(dāng)在音頻輸入端送入的信號(hào)是一個(gè)固定的直流電壓值時(shí)，將在功放的輸出端得到一個(gè)固定的電壓輸出值。與音頻功放的情況不同，是從不穩(wěn)定的大功率電源獲得穩(wěn)定的電壓輸出，即在H橋上連接的不是已經(jīng)穩(wěn)壓的電源，而是僅僅經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單整流濾波的非穩(wěn)壓電源。在輸入信號(hào)足夠穩(wěn)定的情況下，輸出電壓的相對(duì)穩(wěn)定要依靠輸出和輸入之間構(gòu)建合適的反饋回路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）當(dāng)在輸出端接上一個(gè)電位器調(diào)節(jié)放大器的輸入信號(hào)在一個(gè)正負(fù)范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，放大器的輸出也在給H橋供電的電源的正負(fù)幅值之間發(fā)生著變化，輸入的一個(gè)很小的變化就可以在輸出獲得較大的從負(fù)到正的電壓調(diào)整范圍，故實(shí)現(xiàn)寬范圍正負(fù)電壓輸出調(diào)節(jié)也是可能的。

3）由于電源設(shè)計(jì)是基于D類功放的，是工作在PWM的方式下，與PWM開(kāi)關(guān)電源有相同的能量利用效率。

基于上述思路，設(shè)計(jì)出電路的原理框圖如圖4所示。

3、在D類放大器的基礎(chǔ)上進(jìn)行可調(diào)穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

3．1 PWM脈沖基本頻率的設(shè)定

由于D類功放的PWM信號(hào)頻率基于三角波發(fā)生器的頻率，而且是為音頻信號(hào)服務(wù)的，所以，三角波和PWM頻率一般都設(shè)計(jì)得較高，為150～500kHz，這使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓的紋波小，電源的紋波系數(shù)高。因此，這一部分仍然使用原來(lái)的三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)，可以不改動(dòng)原來(lái)的核心電路，特別是在使用成品D類功放電路構(gòu)造開(kāi)關(guān)電源時(shí)可以不改動(dòng)原電路。

如果不用成品D類功放電路構(gòu)造開(kāi)關(guān)電源，可以使用LM556等電路來(lái)構(gòu)造三角波發(fā)生器，具體電路及振蕩頻率的計(jì)算已有很多資料介紹，不再贅述。

三角波的輸出應(yīng)有足夠的幅度，一般選±VPP=±（3～5）V，以給比較電路足夠的信號(hào)強(qiáng)度。

3．2 電壓調(diào)整部分的設(shè)計(jì)

電壓調(diào)整部分的設(shè)計(jì)就是要改造原來(lái)的D類功放的輸入端，即去掉原來(lái)的輸入耦合電容，把一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓電路（如圖5所示）的輸出連接到輸入端，代替原來(lái)的音頻信號(hào)，使原來(lái)的功放輸入信號(hào)Vin=（VW＋Vf）可以隨著WR的調(diào)節(jié)在正負(fù)區(qū)間變化。

3．3 穩(wěn)壓部分電路的設(shè)計(jì)

作為一個(gè)開(kāi)關(guān)電源，應(yīng)具有足夠的電壓穩(wěn)定度，這就要有采樣電路在輸出端進(jìn)行電壓采樣，并經(jīng)過(guò)反饋電路反相回送到輸入端，通過(guò)對(duì)輸入直流電壓大小的控制完成電源的PWM脈寬調(diào)節(jié)，控制輸出電壓穩(wěn)定在WR調(diào)節(jié)設(shè)定的電壓值上，電壓采樣與反饋實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

穩(wěn)壓工作原理可分析如下：

在D類功放輸入端送入一個(gè)直流電壓，在輸出端得到一個(gè)濾波后的直流電壓，輸入端的正負(fù)變化將在輸出的正負(fù)相端得到對(duì)應(yīng)的正負(fù)電壓輸出，從而在采樣電路的Ro上獲得一個(gè)電壓降ΔVR，ΔVR經(jīng)反相放大后再和參考電壓進(jìn)行疊加，形成輸入端的調(diào)節(jié)電壓Vin，送入D類功放的輸入端。例如，當(dāng)輸出電壓的絕對(duì)值增加，則有

│ΔVR│↑—→│Vf│↓—→│Vin│=│VW＋Vf│↓—→PWM正或負(fù)相脈寬變窄—→輸出濾波后電壓│Uout│降低—→穩(wěn)壓。反之亦然。

3．4 輸出濾波電路部分的設(shè)計(jì)與改造

D類功放的輸出通過(guò)H橋直連濾波電路，因此，在一定條件下運(yùn)用時(shí)可以省去開(kāi)關(guān)變壓器，降低整個(gè)電路的成本。

D類功放的輸出濾波器參數(shù)（濾波電感L、濾波電容C）的大小是按照音頻輸出要求選定的，故其輸出截止頻率f較高，一般在20kHz以上。但運(yùn)用到電源電路上，輸出的是一個(gè)直流電壓信號(hào)，所以，截止頻率應(yīng)該很低，故濾波電感L和濾波電容C都取得較大，這可以參照一般的PWM開(kāi)關(guān)電源的參數(shù)，比如濾波電容的容量要達(dá)到1000μF以上，以盡量地濾除交流信號(hào)。這一部分的電路如圖6所示。

3．5 基于D類功率放大器的開(kāi)關(guān)電源整體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì)構(gòu)成的，基于D類功率放大器的開(kāi)關(guān)電源整體電路設(shè)計(jì)如圖7所示，對(duì)應(yīng)的輸入端的可調(diào)電壓信號(hào)、三角波及PWM波形、輸出PWM電壓波形以及濾波輸出電壓波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示。

（a） 三角波發(fā)生器輸出

（b） Vin》0、Vout》0，PWM波形和負(fù)載上的電壓波形

（c） Vin0、Vout0，PWM波形和負(fù)載上的電壓波形

圖8 輸入端的可調(diào)電壓信號(hào)、三角波及PWM波形、輸出PWM電壓波形、

濾波輸出電壓波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)D類功放的開(kāi)關(guān)電源的改造構(gòu)成了一個(gè)實(shí)用的PWM開(kāi)關(guān)電源。

4、D類功率集成電路在實(shí)用寬范圍可調(diào)PWM開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)用實(shí)踐與分析

當(dāng)前的D類功率放大器集成電路（包括前端控制電路和后級(jí)H橋）種類繁多，功能完善，放大器內(nèi)部已具有完善的誤差反饋放大電路、保護(hù)電路、三角波發(fā)生器和比較器等。為開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、功能完善的通用開(kāi)關(guān)電源提供了極大的方便。

圖9就是在利用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司新推出的LM4651和LM4652設(shè)計(jì)的D類超低音功率放大器電路基礎(chǔ)上，改造成的一款通用開(kāi)關(guān)電源的實(shí)驗(yàn)電路（其中的括號(hào)內(nèi)的元件參數(shù)是按電源運(yùn)用而使用的）。

圖9 用LM4651＋LM4652D類功放模塊構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)PWM開(kāi)關(guān)電源

LM4651是PWM控制/驅(qū)動(dòng)器IC，內(nèi)置振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、反饋放大器、電平移位與高端驅(qū)動(dòng)器、低端驅(qū)動(dòng)器及欠壓、過(guò)熱、短路和過(guò)調(diào)制保護(hù)電路。

LM4652是采用15腳（其中腳6、8、9、11、12未連接）TO－220封裝的半橋功率MOSFETIC，4只MOSFET的擊穿電壓V（BR）DSS=50V，漏極電流ID=10A，通態(tài)電阻RDS（ON）=200mΩ（典型值），開(kāi)啟電壓VGS（th）=0.85V（典型值）。

LM4651中振蕩器頻率fosc=1×109/（4000＋Rosc），其中Rosc=R6=3.9kΩ，于是PWM頻率fosc=125kHz。

輸入的直流調(diào)整信號(hào)Vin經(jīng)C1及R1和腳10輸入到增益為17．5dB的誤差放大器。

LM4652的腳7和腳15上的H橋開(kāi)關(guān)輸出通過(guò)RC濾波器濾波，由R7～R10的采樣電路取樣后，反饋至LM4651的腳14、腳19經(jīng)內(nèi)部反饋測(cè)量放大器，再?gòu)哪_9輸出到腳10，為誤差放大器提供一個(gè)單端反饋信號(hào)Vf，反饋電壓Vf和Vin疊加形成開(kāi)關(guān)電源的脈寬調(diào)制與電壓控制信號(hào)（Vc）。Vc=Vin＋Vf與振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較，在PWM比較器輸出端產(chǎn)生一個(gè)占空比與輸入電平成正比的方波脈沖，以驅(qū)動(dòng)IC2中的功率MOSFET。

LM4652腳7和腳15的開(kāi)關(guān)輸出，經(jīng)L1、C16和L2、C17低通濾波，向負(fù)載輸出直流電壓、電流。

這款實(shí)驗(yàn)電路的輸出電壓隨輸入端WR的調(diào)節(jié)，可以在接近電源±VEE的幅度實(shí)現(xiàn)隨意的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的輸出。但其功率受LM4652的限制，最大輸出在100W左右，略小于它在音頻功放時(shí)的輸出，同時(shí)，由于LM4652本身耐壓和功耗的限制，而沒(méi)有用220V的交流直接整流供電給末級(jí)，而是通過(guò)變壓器降壓到音頻運(yùn)用時(shí)的電壓范圍（±24V/18V交流）。在實(shí)際開(kāi)關(guān)電源運(yùn)用時(shí)，可以通過(guò)使用分立器件的大功率高耐壓開(kāi)關(guān)器件來(lái)替代LM4652，從而構(gòu)成實(shí)用的開(kāi)關(guān)電源輸出電路。

5、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與制作說(shuō)明，基于D類功？放大器集成電路的開(kāi)關(guān)電源是完全可以實(shí)現(xiàn)的。利用現(xiàn)成的D類功放成品器件制作PWM開(kāi)關(guān)電源，避免了在開(kāi)發(fā)通用寬范圍可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的核心控制電路上的設(shè)計(jì)花費(fèi)與制作，同時(shí)構(gòu)成的電源電路又相對(duì)簡(jiǎn)單，配以各種功率的H橋可以獲得各種功率的輸出，以適用于更為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。

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