基于類功放的寬范圍可調開關電源設計

1、基于 D 類功放的寬范圍可調開關電源的設計作者：重慶交通學院基礎部 周 平摘要：結合開關電源的原理對D 類功放的工作原理進行了分析，提出了在D 類功放基礎上構建正負可調開關電源的方法，并在成品D 類功放器件基礎上，成功地實現了經濟實用的開關電源。：D 類功放；開關電源；反饋；穩(wěn)壓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，為了實現輸出的寬范圍調節(jié)，大多使用基于模擬串、并聯電路的穩(wěn)壓方式，其效率低下已是人們的共識。脈寬調制開關電源的出現，大大提高了電源的效率，現在的開關電源的

2、運用，大多局限在成品電器設備的固定電壓的輸出模式，其電壓可調范圍十分有限，而開關電源在通用電源的寬范圍可調應用上并不普遍，特別是在對稱的正負范圍輸出的可調應用上，即使有這樣的產品其價格也相對較高。作者結合開關電源的原理對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濟的條件下，方便地實現寬范圍可調的開關電源。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。第一部分是輸入比較和信號形成電路，該電路中的三角波發(fā)生器產生固定頻率和幅度的三角波信號作為脈寬調制的比較標準，通過比較器和輸入的音頻信號進行比較后輸出信號，該信號的脈寬是隨著音頻信號幅度的變化而成

3、正比例地變化。放大器中的三角波、音頻正弦信號產生的3 所示。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，如圖第一部分電路得到的信號經過整形放大，驅動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，從而獲得大功率的信號，該信號再經過負載前的 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調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

4、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穩(wěn)壓的電源，而是僅僅經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建合適的反饋回路來實現。2）當在輸出端接上一個電位器調節(jié)放大器的輸入信號在一個正負范圍內發(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整范圍，故實現寬范圍正負電壓輸出調節(jié)也是可能的。3）由于電源

5、設計是基于D 類功放的，是工作在的方式下，與開關電源有相同的能量利用效率?；谏鲜鏊悸?，設計出電路的原理框圖如圖 4 所示。3 在D 類放大器的基礎上進行可調穩(wěn)壓電路的設計31脈沖基本頻率的設定由于D 類功放的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，三角波和頻率一般都設計得較高，為 150500kHz，這使得開關電源的輸出電壓的紋波小，電源的紋波系數高。因此，這一部分仍然使用原來的三角波發(fā)生器的設計，可以不改動原來的構造開關電源時可以不改動原電路。電路，特別是在使用成品 D 類功放電路如果不用成品D 類功放電路構造開關電源，可以使用 LM556 等電路來構造三角波發(fā)生器，

6、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=（35）V，以給比較電路足夠的信號強度。32 電壓調整部分的設計電壓調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=（VWVf）可以隨著 WR 的調節(jié)在正負區(qū)間變化。33 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設定的電壓值上，電壓采樣與反饋實

7、驗電路設計如圖 5 所示。脈寬調節(jié)，控制輸出電壓穩(wěn)定在 WR 調節(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VR，VR 經反相放大后再和參考電壓進行疊加，形成輸入端的調節(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VRVfVin=VWVf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。34 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

8、個電路的成本。D 類功放的輸出濾波器參數（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,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，這可以參照一般的開關電源的參數，比如濾波電容的容量要達到1000F 以上，以盡量地濾除交流信號。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電源整體電路設計根據上述分析與設計可調電壓信號、三角波及的，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，對應的輸入端的波形、輸出電壓波形以及濾波輸出電壓波形的對應關系如圖

9、8 所示。由此可見，通過對D 類功放的開關電源的改造了一個實用的開關電源。4 D 類功率集成電路在實用寬范圍可調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（其中的括號內的元件參數是按電源運用而使用的）。LM4651 是控制/驅動器 IC，內置振蕩器、比較器、誤差

10、放大器、反饋放大器、電平移位與高端驅動器、驅動器及欠壓、過熱、短路和過調制保護電路。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。輸入的直流調整信號Vin 經 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 橋開關輸出通過 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制與電壓控制信號（Vc）。Vc=VinVf 與振蕩器產生的三角波進行比較，在比較器輸出端產生一個占空比與輸入電平成正比的脈沖，以驅動 IC2 中的功率 MOSFET。LM4652 腳 7 和腳 15 的開關輸出，經 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 的調節(jié)，可以在接近電源VEE 的幅度實現隨意的調節(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