基于D類(lèi)功放的寬范圍可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合PWM開(kāi)關(guān)電源的原理對(duì)D類(lèi)功放的工作原理進(jìn)行了分析，提出了在D類(lèi)功放基礎(chǔ)上構(gòu)建PWM正負(fù)可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的方法，并在成品D類(lèi)功放器件基礎(chǔ)上，成功地實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開(kāi)關(guān)電源。

關(guān)鍵詞：D類(lèi)功放；PWM開(kāi)關(guān)電源；反饋；穩(wěn)壓

0 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(lèi)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。

作者結(jié)合PWM開(kāi)關(guān)電源的原理對(duì)D類(lèi)功放的工作原理進(jìn)行了分析，認(rèn)為利用D類(lèi)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(lèi)功率放大器的工作原理

如圖1所示，D類(lèi)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。

圖1 D類(lèi)功放原理框圖

圖2 放大器中的三角波、音頻正弦信號(hào)產(chǎn)生的PWM波形及其相互關(guān)系

圖3 大功率輸出部分（H橋和濾波電路）

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(lèi)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(lèi)功放末級(jí)必須使用穩(wěn)壓電源。

2 在D類(lèi)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(lèi)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(lèi)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。

圖4 D類(lèi)功放開(kāi)關(guān)電源框圖