D类功放开关电源的设计与实现Word文件下载.docx

1、 关键词 功放开关电源 大电容负载 PFC Psp i ce 仿真 中图法分类号 TM 564 2; 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

2、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 I R 1150的有源功率因数校正电路 , 这 一款芯

3、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。1 D 类功放开关电源简介2. 1 D 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

4、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。

5、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。2 D 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 I R 2156。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I R2156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 I R

6、 2156非常适合驱动功放开关电源。 I R2156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 200k H z , 正常工作时频率为 50k H z , 上下桥死区时间为 500ns 。那么 200k H z 时实际占空比为 40%, 50k H z 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 20

7、0k H z 向 50kH z 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 , I R 2156的高频启动 时 间可以通过 C ph 电容的取值来改变。 2. 2 I R2156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 Psp ice 模型的 Orcad 电力电子仿真软件对 I R2156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

8、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 I R2156却具有频率可调的高频启动过程 , 这一点使得基于 I R 2156的开关电源具有带大电容负载的能力。图 3 I R 2156及主电路的仿真原理图图 3是在 Orcad 中构建的 I R2156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 160k H z , 稳定工作开关 频率 50k H z

9、, 设定输出电压 70V, 功率 200W, 负载 电容 40000 F , 启动时间 600m s图 4 IR2156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

10、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3 PFC 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 I R 公司的 PFC 专 用芯片 I R 1150的有源 PFC , 下面将详细它的介绍设 计与实现。3. 1 I R1150的工作原理I R

11、 1150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 Boost P FC 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 P WM 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 P WM 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 P WM

12、 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 I I N 与输入电压 U I N 同相位并对应成 比例 , 即V I N =I I N R I N（1式 （1 中 R I N 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 :V I N =V OUT （1-D （2 合并式 （1 与式 （2 可得 :I I N R I N =V OU

13、T （1-D （3式 （3 两边同乘以输入电流采样电阻 R S , 可得 :R S I I N =R S V OUT （1-D R I N=V S （1-D （4式 （4 中 V s 是电流采样电压值。如果输出电容足够大 , 那么 V s 可认为是在一个周期 内恒定的 , 对上式两边同时积分 , 可得 :R S I I N=V S -TTDV S （t d t （5由式 （5 便可以构造出 OCC 的控制方程 :V S -R S I I N=1TDT 0V S（t d t （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 I R1150

14、的 PFC 仿真同样使用 O rcad 仿真软件 , 仿真电路主要参数 如下 :Boost 电感 1. 3mH, 开关频率 50k H z , 电流采样电阻 0. 075 , 电压采样电阻 12k , 输出滤波电容 300 F , 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 9 PFC 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

15、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 2491 A M ethod for M in iaturization of Shortwave Antenna Q I Jing hu, L Yan m in g L I Gao fei U i , （ S ch ool of E lectron ics and Infor at ion Engineering, H arb in In stitu te of T echnology, H arb in 150001 P. R. Ch ina m , Ab stract A m ethod for m in

16、 iaturizat ion o f short ave antennas is proposed A m in iaturized shortw ave antenna w . 15 MH z based on d ip ole antenna w ith top lu ped components com pound lo adin g , , m w hich w orks at the band of 3 scope o f 2 m 2m structure is designed then com bined mu lt i he ica l structu re is chosen

17、 for opti izin g The antenna has got a size , m . 2 m. Si u lated by th e comm ercial softw are M icrow ave Stud io o f CST Corpo ration the tota l m , effic iency of th e antenna is above - 20 dB in th e who le 3 15MH z band T h is antenna has got the advan tages of . sm a ll size si ple structure

18、and h ig h effic iency and so on It is applicab le in the fields o f broadcast ing, env iron , m . m ent m on itoring radar detectin g and so on , . Key w ord s m in ia turization short ave antenna w lo ad ing helical structure （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

19、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. 400 2002 5 （ 8 : 396 ; 3 王玉峰, 肖永江. 单相 BOO ST功率因数校正主电路 模型的建立. 电气传动自动化. 2002 24 （ 1 : 34 ; 36 4 朱 锋, 龚春英. 单周期 控制 Boost PFC 变换 器分析 与设计. 电 考 文 献 力电子技术, 2007 41 （ 1 : 100 ; 102 5 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.

20、成都: 西南交通大学 研究生学位 社, 1998 论文, 2007 D esign and I ple ent of C lass D Power Amplifier S P S for Super Capacitor m m M SH I Yan dong, WANG Bo yang , N I G Fe i N （ N orthw estern Polytechn ical U n iversity, xi an 710072 P. R. Ch ina , , * Abstract A S PS（ Sw itch M ode Pow er Supply fo r dr iv ing sup

21、er capacitor w ith frequency a lterable startup is M presented M eanwh ile a pow er factor correction located ahead of S , MPS is also presented In additio n to d irect th e . design of hardw are better si u lation for PFC and Pow er Am p lifier based on P sp ice M odel has been taken The re , m . su lt of si u latio n and experi ent show that the S m m MPS presented is capable to drive capac itive load the pow er factor , is approx i ate to 1 and THD is be llow 3 . m % Key w ord s S MPS fo r pow er am plif ie r super capacit iv e load PFC Pspice