基于D類功放的寬范圍可調(diào)開關電源的設計?

摘要：結(jié)合PWM開關電源的原理對D類功放的工作原理進行了分析，提出了在D類功放基礎上構(gòu)建PWM正負可調(diào)開關電源的方法，并在成品D類功放器件基礎上，成功地實現(xiàn)了經(jīng)濟實用的開關電源。

?關鍵詞：D類功放；PWM開關電源；反饋；穩(wěn)壓

0??? 引言

??? 很多電子設備的開發(fā)研制過程中，都需要各種各樣的實驗與測試用通用穩(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功能。以往的實驗與測試用電源，為了實現(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。PWM脈寬調(diào)制開關電源的出現(xiàn)，大大提高了電源的效率，可是，現(xiàn)在的PWM開關電源的運用，大多局限在成品電器設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類功放原理框圖

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。

2??? 在D類功率放大器原理基礎上實現(xiàn)PWM調(diào)制開關電源的設計思路

??? 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）由于電源設計是基于D類功放的，是工作在PWM的方式下，與PWM開關電源有相同的能量利用效率。

??? 基于上述思路，設計出電路的原理框圖如圖4所示。

圖4??? D類功放開關電源框圖

3??? 在D類放大器的基礎上進行可調(diào)穩(wěn)壓電路的設計

3．1??? PWM脈沖基本頻率的設定

??? 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的，所以，三角波和PWM頻率一般都設計得較高，為150～500kHz，這使得開關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。

3．2??? 電壓調(diào)整部分的設計

??? 電壓調(diào)整部分的設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。

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

3．3??? 穩(wěn)壓部分電路的設計

??? 作為一個開關電源，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)設定的電壓值上，電壓采樣與反饋實驗電路設計如圖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。

3．4??? 輸出濾波電路部分的設計與改造

??? 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。

圖6??? 輸出濾波部分電路結(jié)構(gòu)

3．5??? 基于D類功率放大器的開關電源整體電路設計

??? 根據(jù)上述分析與設計構(gòu)成的，基于D類功率放大器的開關電源整體電路設計如圖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系如圖8所示。

圖7??? 基于D類功率放大電路開關電源電路圖

(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系

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

4??? D類功率集成電路在實用寬范圍可調(diào)PWM開關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設計的D類超低音功率放大器電路基礎上，改造成的一款通用開關電源的實驗電路（其中的括號內(nèi)的元件參數(shù)是按電源運用而使用的）。

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

??? 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）。在實際開關電源運用時，可以通過使用分立器件的大功率高耐壓開關器件來替代LM4652，從而構(gòu)成實用的開關電源輸出電路。

5??? 結(jié)語

??? 通過上面實驗電路的設計與制作說明，基于D類功?放大器集成電路的開關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開關電源，避免了在開發(fā)通用寬范圍可調(diào)開關電源的核心控制電路上的設計花費與制作，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。