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在D類功放基礎(chǔ)上構(gòu)建PWM正負可調(diào)開關(guān)電源

發(fā)布時間:2013-01-09 責任編輯:Lynnjiao

【導讀】PWM脈寬調(diào)制開關(guān)電源的出現(xiàn),大大提高了電源的效率,可是,現(xiàn)在的PWM開關(guān)電源的運用,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,而開關(guān)電源在通用電源的寬范圍可調(diào)應用上并不普遍,特別是在對稱的正負范圍輸出的可調(diào)應用上,即使有這樣的產(chǎn)品其價格也相對較高。

   
作者結(jié)合PWM開關(guān)電源的原理對D類功放的工作原理進行了分析,認為利用D類功放可以在較為經(jīng)濟的條件下,方便地實現(xiàn)寬范圍可調(diào)的PWM開關(guān)電源。

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作為脈寬調(diào)制的比較標準,通過比較器和輸入的音頻信號進行比較后輸出PWM信號,該信號的脈寬是隨著音頻信號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。

D類功放原理框圖
圖1:D類功放原理框圖

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

大功率輸出部分(H橋和濾波電路)
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信號經(jīng)過整形放大,驅(qū)動H橋中與高壓大功率電源相連的的4只大功率CMOS開關(guān)管輪流導通,控制末級電源向負載提供的電流,從而獲得大功率的PWM信號,該信號再經(jīng)過負載前的LC濾波器,利用電感電容的充放電效應在負載上獲得大功率的音頻信號。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類功放末級必須使用穩(wěn)壓電源。

在D類功率放大器原理基礎(chǔ)上實現(xiàn)PWM調(diào)制開關(guān)電源的設(shè)計思路
   
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推理。
   
1)當在音頻輸入端送入的信號是一個固定的直流電壓值時,將在功放的輸出端得到一個固定的電壓輸出值。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)過簡單整流濾波的非穩(wěn)壓電源。在輸入信號足夠穩(wěn)定的情況下,輸出電壓的相對穩(wěn)定要依靠輸出和輸入之間構(gòu)建合適的反饋回路來實現(xiàn)。
   
2)當在輸出端接上一個電位器調(diào)節(jié)放大器的輸入信號在一個正負范圍內(nèi)發(fā)生變化時,放大器的輸出也在給H橋供電的電源的正負幅值之間發(fā)生著變化,輸入的一個很小的變化就可以在輸出獲得較大的從負到正的電壓調(diào)整范圍,故實現(xiàn)寬范圍正負電壓輸出調(diào)節(jié)也是可能的。
   
3)由于電源設(shè)計是基于D類功放的,是工作在PWM的方式下,與PWM開關(guān)電源有相同的能量利用效率。
   
基于上述思路,設(shè)計出電路的原理框圖如圖4所示。

D類功放開關(guān)電源框圖
圖4:D類功放開關(guān)電源框圖

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

PWM脈沖基本頻率的設(shè)定
   
由于D類功放的PWM信號頻率基于三角波發(fā)生器的頻率,而且是為音頻信號服務(wù)的,所以,三角波和PWM頻率一般都設(shè)計得較高,為150~500kHz,這使得開關(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的三角波發(fā)生器的設(shè)計,可以不改動原來的核心電路,特別是在使用成品D類功放電路構(gòu)造開關(guān)電源時可以不改動原電路。
   
如果不用成品D類功放電路構(gòu)造開關(guān)電源,可以使用LM556等電路來構(gòu)造三角波發(fā)生器,具體電路及振蕩頻率的計算已有很多資料介紹,不再贅述。
   
三角波的輸出應有足夠的幅度,一般選±VPP=±(3~5)V,以給比較電路足夠的信號強度。

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

電壓調(diào)節(jié)與采樣穩(wěn)壓部分電路設(shè)計圖
圖5:電壓調(diào)節(jié)與采樣穩(wěn)壓部分電路設(shè)計圖

穩(wěn)壓部分電路的設(shè)計
   
作為一個開關(guān)電源,應具有足夠的電壓穩(wěn)定度,這就要有采樣電路在輸出端進行電壓采樣,并經(jīng)過反饋電路反相回送到輸入端,通過對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,電壓采樣與反饋實驗電路設(shè)計如圖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直流電壓,在輸出端得到一個濾波后的直流電壓,輸入端的正負變化將在輸出的正負相端得到對應的正負電壓輸出,從而在采樣電路的Ro上獲得一個電壓降ΔVR,ΔVR經(jīng)反相放大后再和參考電壓進行疊加,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,當輸出電壓的絕對值增加,則有

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

輸出濾波電路部分的設(shè)計與改造
   
D類功放的輸出通過H橋直連濾波電路,因此,在一定條件下運用時可以省去開關(guān)變壓器,降低整個電路的成本。
   
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。但運用到電源電路上,輸出的是一個直流電壓信號,所以,截止頻率應該很低,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開關(guān)電源的參數(shù),比如濾波電容的容量要達到1000μF以上,以盡量地濾除交流信號。這一部分的電路如圖6所示。

輸出濾波部分電路結(jié)構(gòu)
圖6:輸出濾波部分電路結(jié)構(gòu)

基于D類功率放大器的開關(guān)電源整體電路設(shè)計
   
根據(jù)上述分析與設(shè)計構(gòu)成的,基于D類功率放大器的開關(guān)電源整體電路設(shè)計如圖7所示,對應的輸入端的可調(diào)電壓信號、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應關(guān)系如圖8所示。

基于D類功率放大電路開關(guān)電源電路圖
圖7:基于D類功率放大電路開關(guān)電源電路圖

三角波發(fā)生器輸出
(a)三角波發(fā)生器輸出
(b) Vin>0、Vout>0,PWM波形和負載上的電壓波形
(c) Vin<0、Vout<0,PWM波形和負載上的電壓波形
圖8:輸入端的可調(diào)電壓信號、三角波及PWM波形、輸出PWM電壓波形、濾波輸出電壓波形的對應關(guān)系

由此可見,通過對D類功放的開關(guān)電源的改造構(gòu)成了一個實用的PWM開關(guān)電源。

D類功率集成電路在實用寬范圍可調(diào)PWM開關(guān)電源的運用實踐與分析
   
當前的D類功率放大器集成電路(包括前端控制電路和后級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、保護電路、三角波發(fā)生器和比較器等。為開發(fā)經(jīng)濟實用、功能完善的通用開關(guān)電源提供了極大的方便。
   
圖9就是在利用美國國家半導體公司新推出的LM4651和LM4652設(shè)計的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關(guān)電源的實驗電路(其中的括號內(nèi)的元件參數(shù)是按電源運用而使用的)。

用LM4651+LM4652D類功放模塊構(gòu)建的實驗PWM開關(guān)電源
圖9:用LM4651+LM4652D類功放模塊構(gòu)建的實驗PWM開關(guān)電源   

LM4651是PWM控制/驅(qū)動器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)動器、低端驅(qū)動器及欠壓、過熱、短路和過調(diào)制保護電路。
   
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橋開關(guān)輸出通過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)部反饋測量放大器,再從腳9輸出到腳10,為誤差放大器提供一個單端反饋信號Vf,反饋電壓Vf和Vin疊加形成開關(guān)電源的脈寬調(diào)制與電壓控制信號(Vc)。Vc=Vin+Vf與振蕩器產(chǎn)生的三角波進行比較,在PWM比較器輸出端產(chǎn)生一個占空比與輸入電平成正比的方波脈沖,以驅(qū)動IC2中的功率MOSFET。
   
LM4652腳7和腳15的開關(guān)輸出,經(jīng)L1、C16和L2、C17低通濾波,向負載輸出直流電壓、電流。
   
這款實驗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的輸出,同時,由于LM4652本身耐壓和功耗的限制,而沒有用220V的交流直接整流供電給末級,而是通過變壓器降壓到音頻運用時的電壓范圍(±24V/18V交流)。在實際開關(guān)電源運用時,可以通過使用分立器件的大功率高耐壓開關(guān)器件來替代LM4652,從而構(gòu)成實用的開關(guān)電源輸出電路。

通過上面實驗電路的設(shè)計與制作說明,基于D類功?放大器集成電路的開關(guān)電源是完全可以實現(xiàn)的。利用現(xiàn)成的D類功放成品器件制作PWM開關(guān)電源,避免了在開發(fā)通用寬范圍可調(diào)開關(guān)電源的核心控制電路上的設(shè)計花費與制作,同時構(gòu)成的電源電路又相對簡單,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用場合。

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