D类功放开关电源的设计与实现Word文件下载.docx
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关键词功放开关电源大电容负载PFCPspice仿真中图法分类号TM5642;
文献标志码
A
2011年1月19日收到
第一作者简介:
史延东（1962,男,陕西西安人,研究生导师,副教授,研究方向:
模式识别,开关电源技术,电声技术等。
*
通信作者简介:
王泊洋（1986,男,陕西西安人,硕士研究生,研
究方向:
电力电子与电力传动。
开关电源虽然有无可比拟的优点,但在音响功率放大器中的应用却不尽人意。
究其原因:
首先,是可靠性欠佳,加之价格偏高;
其次,是开关电源的纹波干扰和反应速度对音质也有影响。
因为开关电源工作在矩形脉冲状态,其谐波分量频谱极宽,要消除空间电磁场辐射和输出电路中残余纹波比较困难
[1]
。
D类功放电源与一般的开关电源相比最大的不同之处在于功放电源的滤波电容一般非常大,可以达到几万甚至几十万F。
这种情况下一般的开关电源由于其输出电流所限,无法快速地使得输出电压建立起来。
而本文中提出了变频启动的方案有效地解决了这个问题。
另一方面,为了提高整个电子整流器的功率因数,适应高要求的工作场合,减少对电网的污染,通常需要结合功率因数校正环节。
本文中采用的是基于IR1150的有源功率因数校正电路,这一款芯片采用的是单周期控制技术,因此动态响应迅速,输出稳定,校正后的功率因数可达到0.99以上。
下面首先介绍功放开关电源的设计。
1D类功放开关电源简介
2.1D类功放专用开关电源的特点
D类功放,即数字功放,其功率管的驱动信号是由信号源与锯齿波信号比较得到,而其工作电流则由前级的功放电源提供,图1便是典型的功放电源
的组成示意图。
图1功放开关电源基本构成图
D类功放用电源与普通开关电源主电路结构是相同的,不同之处在于功放电源的滤波电容较普通电源要大很多,这是因为功放电源的滤波电容不仅仅只起到滤波的作用,它还有一些其他作用:
（1根据电容隔直通交的特性,较大的滤波电容可以有效滤掉交流信号,使得电压波形更为平滑。
更为重要的是这些交流干扰信号如果不经滤
除,给后级的功放引入干扰,严重时甚至影响音质。
（2出于对声音音色的要求,不同频段的信号源可能需要功放输出不同的功率,有时需要电源瞬时提供大电流。
这就需要滤波电容足够大以保证电流输出同时电压的平稳。
（3为音频信号提供通路,只有滤波电容足够大,其寄生电感足够小时,音频信号中的高频信号才能通过,使得经过功放后的音质及音色得以保证。
因此功放滤波电容应当采用小电容并联的方式以减小寄生电感的影响。
但是如此之大的滤波电容在电源启动时充电
过程又是十分缓慢的,并且充电时的冲击电流也非常大,普通电源根本无法承受如此巨大的电流。
本文中采用的变频启动可以很好地解决这一问题。
2D类功放开关电源的主电路设计
2.1半桥式逆变的主电路结构
主电路部分采用半桥式逆变电路,针对上文提到的上电时的冲击电流大的问题,振荡器选择了IR2156。
图2即是基于这一款芯片的半桥式逆变以
及整流滤波电路图。
图2基于IR2156的半桥式逆变及整流滤波电路
IR2156本是一款荧光灯专用的驱动芯片,但是由于荧光灯点亮过程中一样需要通过很大电流,因此IR2156非常适合驱动功放开关电源。
IR2156最大的特点在于:
通过外部电路参数的配置可以设定启动时的工作频率以及维持的时间,而在启动完成时则工作在另一频率
[2]
依据这一功能,采用高频
启动就可以安全迅速地启动,具体原理如下:
假定高频启动时功率管开关频率为200kHz,正常工作时频率为50kHz,上下桥死区时间为500ns。
那么200kHz时实际占空比为40%,50kHz时实际占空比为47.5%。
因此在高频启动的过程中滤波电容上所加电压要小于稳定工作时的电压,而电容充电时的冲击电流也因此减小。
而当工作频率由200kHz向50kHz滑动时,电容充电电流虽然还会增加,但已经不会形成冲击,反倒可以加快电
容的充电过程,使电压迅速升高到稳定工作电压。
另外,根据不同的负载,IR2156的高频启动时间可以通过Cph电容的取值来改变。
2.2IR2156高频启动过程的仿真
为了更好地指导硬件电路的设计,本文使用内嵌Pspice模型的Orcad电力电子仿真软件对IR2156的高频启动推动大电容负载的工作状态进行了仿真验证。
仿真原理图如图2在DC/DC开关电源的应用中,输出负载端外接电容能起到滤波、抑制干扰的作用,在某些大容性负载动态跳变的设备中,要求电源输出端有快速响应,这就要求开关电源有较强的带容性负载的能力,并且有好的稳定性能。
传统的开关电源振荡频率是恒定不变的,而IR2156却具有频率可调的高频启动过程,这一点使得基于IR2156的开关电源具有带大电容负载的能力。
图3IR2156及主电路的仿真原理图
图3是在Orcad中构建的IR2156内部原理仿真及半桥逆变仿真电路图,其中用理想开关模型S代替了芯片内部实现开关功能的三极管。
电路参数设置如下:
启动开关频率160kHz,稳定工作开关频率50kHz,设定输出电压70V,功率200W,负载电容40000F,启动时间600ms
图4IR2156电流采样端仿真采样波形
从图4可以看出,和设想的一样,采样高频启动的工作方式,在启动瞬间的冲击电流并不是很大,频率变动的过程中电流也随着上升但并没有超出设计的保护值。
2.3实验结果及结论
在仿真的基础上,进行了实际硬件的调试,结果基本与仿真一致,图5是电流采样电阻两端的波形,图6是70V输出电压建立的过程,建立过程中第一个台阶,是由于前文提出的高频启动引出的低电压启动。
第二个台阶,是由于前级PFC采取的是后供电的策略,导致的电压在PFC工作后进一
步升高。
图5
电流采样波形图
图6输出电压建立过程
3PFC部分的设计与实现
由于功放电源的容性负载,会给电网注入大量
的高次谐波,导致电网侧的功率因数很低,同时对电网的其他电气设备造成严重的谐波污染和干扰
[3,4]
在电源的前级添加PFC电路可以大幅增加
功率因数,特别是有源PFC电路校正后的功率因数接近于一。
本文中采用的是基于IR公司的PFC专用芯片IR1150的有源PFC,下面将详细它的介绍设计与实现。
3.1IR1150的工作原理
IR1150控制策略采用的是单周期控制技术,即依据输入电流采样反馈信号和输出电压采样反馈信号准确快速地调节每个开关周期的开通时间。
图7即是典型的单周期控制的BoostPFC电路,输出电压反馈回来后经过PI调节器,再通过带有复位开关的积分电路,便形成上升斜率不同的锯齿波,与电感电流采样信号比较,最后输出脉宽可调的PWM波。
在反馈的过程中,两种反馈信号分别作用在不同方面,电压反馈信号决定了锯齿波的斜率,即决定了PWM波占空比的一个基值,进而调节输出电压使其稳定。
电流反馈信号则对PWM占空比进行了细调,以保证输入电流畸变时对波形的即时修正,从而降低输入电流的总谐波失真度。
图7典型单周期Boost型PFC电路
3.2单周期控制技术分析
无论采用任何的控制策略,PFC最终的目的是要实现输入电流IIN与输入电压UIN同相位并对应成比例,即
VIN=IINRIN
（1
式（1中RIN为PFC变换器等效输入阻抗。
下面分析单周期Boost型PFC是如何实现上述等式的:
VIN=VOUT（1-D
（2合并式（1与式（2可得:
IINRIN=VOUT（1-D
（3
式（3两边同乘以输入电流采样电阻RS,可得:
RSIIN=RSVOUT（1-D
RIN
=VS（1-D
（4
式（4中Vs是电流采样电压值。
如果输出电容足够大,那么Vs可认为是在一个周期内恒定的,对上式两边同时积分,可得:
RSIIN
=VS-T
T
DVS（tdt（5
由式（5便可以构造出OCC的控制方程:
VS-RSIIN
=1T
DT0VS
（tdt（6
只需要比较等式两端就可以得到所需的占空比,也因此得出了图7所示的反馈控制环节。
3.3基于IR1150的PFC仿真
同样使用Orcad仿真软件,仿真电路主要参数如下:
Boost电感1.3mH,开关频率50kHz,电流采
样电阻0.075,电压采样电阻12k,输出滤波电容300F,输出功率400W。
仿真结果见图8和图9
图8
输入电压及电流仿真波形
图9PFC输出电压仿真波形
3.4实验结果及结论
实际硬件电路的各项参数与仿真中的参数相近。
实验结果与仿真结果也基本吻合。
输入电流波形如图10所示,功率因数达到0.99。
总谐波失真度小于1%
图10输入电流波形
4结论
本文设计了一种应用于D类功放的带有PFC
（下转第2491页
11期邱景辉,等:
一种短波天线小型化设计方案2491AMethodforMiniaturizationofShortwaveAntennaQIJinghu,LYanmingLIGaofeiUi,（SchoolofElectronicsandInforationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001P.R.Chinam,[Abstract]AmethodforminiaturizationofshortaveantennasisproposedAminiaturizedshortwaveantennaw.15MHzbasedondipoleantennawithtoplupedcomponentscompoundloading,,mwhichworksatthebandof3scopeof2m2mstructureisdesignedthencombinedmultiheicalstructureischosenforoptiizingTheantennahasgotasize,m.2m.SiulatedbythecommercialsoftwareMicrowaveStudioofCSTCorporationthetotalm,efficiencyoftheantennaisabove-20dBinthewhole315MHzbandThisantennahasgottheadvantagesof.smallsizesiplestructureandhighefficiencyandsoonItisapplicableinthefieldsofbroadcasting,environ,m.mentmonitoringradardetectingandsoon,.[Keywords]miniaturizationshortaveantennawloadinghelicalstructure（上接第2487页的半桥式开关电源,重点针对功放开关电源输出滤波电容大的特点,设计了变频启动的工作方式,较普通电源有输出电压纹波小,输出电压建立时间短等诸多优点。
参1周2陈熹,李明.新型电子镇流器控制芯片.电源技术应用.40020025（8:
396;
3王玉峰,肖永江.单相BOOST功率因数校正主电路模型的建立.电气传动自动化.200224（1:
34;
364朱锋,龚春英.单周期控制BoostPFC变换器分析与设计.电考文献力电子技术,200741（1:
100;
1025张占松,蔡宣三.开关电源的原理及设计.北京:
电子工业出版虎.开关功放电源的研究.成都:
西南交通大学研究生学位社,1998论文,2007DesignandIpleentofClassDPowerAmplifierSPSforSuperCapacitormmMSHIYandong,WANGBoyang,NIGFeiN（NorthwesternPolytechnicalUniversity,xian710072P.R.China,,*[Abstract]ASPS（SwitchModePowerSupplyfordrivingsupercapacitorwithfrequencyalterablestartupisMpresentedMeanwhileapowerfactorcorrectionlocatedaheadofS,MPSisalsopresentedInadditiontodirectthe.designofhardwarebettersiulationforPFCandPowerAmplifierbasedonPspiceModelhasbeentakenThere,m.sultofsiulationandexperientshowthattheSmmMPSpresentediscapabletodrivecapacitiveloadthepowerfactor,isapproxiateto1andTHDisbellow3.m%[Keywords]SMPSforpoweramplifiersupercapacitiveloadPFCPspice
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