基于類功放的寬范圍可調(diào)開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、基于 D 類功放的寬范圍可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)作者：重慶交通學(xué)院基礎(chǔ)部 周 平摘要：結(jié)合開關(guān)電源的原理對(duì)D 類功放的工作原理進(jìn)行了分析，提出了在D 類功放基礎(chǔ)上構(gòu)建正負(fù)可調(diào)開關(guān)電源的方法，并在成品D 類功放器件基礎(chǔ)上，成功地實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開關(guān)電源。：D 類功放；開關(guān)電源；反饋；穩(wěn)壓引言很多電子設(shè)備的開發(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)。脈寬調(diào)制開關(guān)電源的出現(xiàn)，大大提高了電源的效率，現(xiàn)在的開關(guān)電源的

2、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)合開關(guān)電源的原理對(duì)D 類功放的工作原理進(jìn)行了分析，認(rèn)為利用 D 類功放可以在較為經(jīng)濟(jì)的條件下，方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍可調(diào)的開關(guān)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。第一部分是輸入比較和信號(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

3、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3 所示。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，如圖第一部分電路得到的信號(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(jí)必須使用穩(wěn)壓電源。2 在D 類功率放大器原理基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)調(diào)制開關(guān)電源的設(shè)計(jì)思路從上面分析D 類功率放大器的工作原理可以得

4、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

5、設(shè)計(jì)是基于D 類功放的，是工作在的方式下，與開關(guān)電源有相同的能量利用效率?；谏鲜鏊悸?，設(shè)計(jì)出電路的原理框圖如圖 4 所示。3 在D 類放大器的基礎(chǔ)上進(jìn)行可調(diào)穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)31脈沖基本頻率的設(shè)定由于D 類功放的信號(hào)頻率基于三角波發(fā)生器的頻率，而且是為音頻信號(hào)服務(wù)的，所以，三角波和頻率一般都設(shè)計(jì)得較高，為 150500kHz，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(lái)的三角波發(fā)生器的設(shè)計(jì)，可以不改動(dòng)原來(lái)的構(gòu)造開關(guān)電源時(shí)可以不改動(dòng)原電路。電路，特別是在使用成品 D 類功放電路如果不用成品D 類功放電路構(gòu)造開關(guān)電源，可以使用 LM556 等電路來(lái)構(gòu)造三角波發(fā)生器，

6、具體電路及振蕩頻率的計(jì)算已有很多資料介紹，不再贅述。三角波的輸出應(yīng)有足夠的幅度，一般選VPP=（35）V，以給比較電路足夠的信號(hào)強(qiáng)度。32 電壓調(diào)整部分的設(shè)計(jì)電壓調(diào)整部分的設(shè)計(jì)就是要改造原來(lái)的D 類功放的輸入端，即去掉原來(lái)的輸入耦合電容，把一個(gè)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(lái)的音頻信號(hào)，使原來(lái)的功放輸入信號(hào) Vin=（VWVf）可以隨著 WR 的調(diào)節(jié)在正負(fù)區(qū)間變化。33 穩(wěn)壓部分電路的設(shè)計(jì)作為一個(gè)開關(guān)電源，應(yīng)具有足夠的電壓穩(wěn)定度，這就要有采樣電路在輸出端進(jìn)行電壓采樣，并經(jīng)過(guò)反饋電路反相回送到輸入端，通過(guò)對(duì)輸入直流電壓大小的控制完成電源的設(shè)定的電壓值上，電壓采樣與反饋實(shí)

7、驗(yàn)電路設(shè)計(jì)如圖 5 所示。脈寬調(diào)節(jié)，控制輸出電壓穩(wěn)定在 WR 調(diào)節(jié)穩(wěn)壓工作原理可分析如下：在D 類功放輸入端送入一個(gè)直流電壓，在輸出端得到一個(gè)濾波后的直流電壓，輸入端的正負(fù)變化將在輸出的正負(fù)相端得到對(duì)應(yīng)的正負(fù)電壓輸出，從而在采樣電路的 Ro 上獲得一個(gè)電壓降VR，VR 經(jīng)反相放大后再和參考電壓進(jìn)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(dāng)輸出電壓的絕對(duì)值增加，則有VRVfVin=VWVf正或負(fù)相脈寬變窄輸出濾波后電壓Uout降低穩(wěn)壓。反之亦然。34 輸出濾波電路部分的設(shè)計(jì)與改造D 類功放的輸出通過(guò)H 橋直連濾波電路，因此，在一定條件下運(yùn)用時(shí)可以省去開關(guān)變壓器，降低整

8、個(gè)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(yùn)用到電源電,輸出的是一個(gè)直流電壓信號(hào)，所以，截止頻率應(yīng)該很低，故濾波電感L 和濾波電容C 都取得較大，這可以參照一般的開關(guān)電源的參數(shù)，比如濾波電容的容量要達(dá)到1000F 以上，以盡量地濾除交流信號(hào)。這一部分的電路如圖 6 所示。35 基于D 類功率放大器的開關(guān)電源整體電路設(shè)計(jì)根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì)可調(diào)電壓信號(hào)、三角波及的，基于D 類功率放大器的開關(guān)電源整體電路設(shè)計(jì)如圖 7 所示，對(duì)應(yīng)的輸入端的波形、輸出電壓波形以及濾波輸出電壓波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖

9、8 所示。由此可見，通過(guò)對(duì)D 類功放的開關(guān)電源的改造了一個(gè)實(shí)用的開關(guān)電源。4 D 類功率集成電路在實(shí)用寬范圍可調(diào)開關(guān)電源的運(yùn)用實(shí)踐與分析當(dāng)前的D 類功率放大器集成電路（包括前端控制電路和后級(jí)H 橋）種類繁多，功能完善，放大器已具有完善的誤差反饋放大電路、保護(hù)電路、三角波發(fā)生器和比較器等。為開發(fā)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、功能完善的通用開關(guān)電源提供了極大的方便。圖 9 就是在利用國(guó)家半導(dǎo)體公司新推出的 LM4651 和 LM4652 設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)電路（其中的括號(hào)內(nèi)的元件參數(shù)是按電源運(yùn)用而使用的）。LM4651 是控制/驅(qū)動(dòng)器 IC，內(nèi)置振蕩器、比較器、誤差

10、放大器、反饋放大器、電平移位與高端驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器及欠壓、過(guò)熱、短路和過(guò)調(diào)制保護(hù)電路。LM4652 是采用 15 腳（其中腳 6、8、9、11、12 未連接）TO220 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)=200m（典型值），開啟電壓 VGS(th)=0.85V（典型值）。LM4651 中振蕩器頻率fosc=1109/(4000Rosc)，其中 Rosc=R6=3.9k，于是頻率 fosc=125kHz。輸入的直流調(diào)整信號(hào)Vin 經(jīng) C1 及 R1 和腳 10 輸入到增益為 175dB 的誤差

11、放大器。LM4652 的腳 7 和腳 15 上的H 橋開關(guān)輸出通過(guò) RC 濾波器濾波，由 R7R10 的采樣電路取樣后，反饋至 LM4651的腳 14、腳 19 經(jīng)反饋測(cè)量放大器，再?gòu)哪_ 9 輸出到腳 10，為誤差放大器提供一個(gè)單端反饋信號(hào) 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(hào)（Vc）。Vc=VinVf 與振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較，在比較器輸出端產(chǎn)生一個(gè)占空比與輸入電平成正比的脈沖，以驅(qū)動(dòng) 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(fù)載輸出直流電壓、電流。這款實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)的輸出，同時(shí)，由于 LM4652 本身耐壓和功耗的限制，而沒(méi)有用 220V 的交流直接整流供電給末級(jí)，而是通過(guò)變壓器降壓到音頻運(yùn)用時(shí)的電壓范圍（24V/18V 交流）。在實(shí)際開關(guān)電源運(yùn)用時(shí)，可以通過(guò)使用分立器件的大功率高耐壓開關(guān)器件來(lái)替