基于D類功放PWM的探討-設計應用

精品文檔-下載后可編輯基于D類功放PWM的探討-設計應用摘要：探討D類音頻功率放大器的兩種常見PWM調制方式：開環(huán)定頻和閉環(huán)自激式調制方式。由于調制方式不同，PWM的波形也各有不同，而對系統(tǒng)的失真方面也有著不一樣的影像。本文針對不同的調制方式，分別分析其工作原理，總結出各自的優(yōu)缺點，同時通過數學建模，通過軟件仿真對結果進行分析。仿真可為工程技術人員提供了高速快捷的調試途徑，并可預先對系統(tǒng)狀況進行評估，找到薄弱環(huán)節(jié)，對于改進系統(tǒng)性能提供幫助。

1.引言

音頻功率放大器主要歸結為四大類：

ClassA、ClassB、ClassAB、ClassD.

CLASSA是一種完全的線性放大形式的放大器。采用單個晶體管放大，發(fā)熱大效率低，但失真率極低。ClassB也被稱為線性放大器，使用兩個晶體管對正負信號進行線性放大，無信號時正負通道處于關閉的狀態(tài)，即無功率損失，易產生跨越失真。ClassAB兼具A類與B類功放的優(yōu)勢的一種設計。與B類相同的是采用兩個晶體管放大正負信號，不同的則是在兩者交越處附近使得兩個晶體管均有微弱導通以克服B類功放的交越失真。

因此AB類具備B類效率的同時，失真度很接近A類功放。而D類功放與其他功放類型有著完全不同的工作原理，它采用高速開關管對信號進行放大。由于開關過程損耗極小，效率通?？蛇_到90%以上，而且體積和重量方面也極具優(yōu)勢。近些年，隨著開關技術的不斷發(fā)展以及環(huán)保節(jié)能成為的主基調，D類功放越來越流行，并迅速成為功率放大器的主流類型。其中關于如何進一步提高D類功放的效率以及D類功放的性能也成為廣大工程技術人員的方向和目標。而其中PWM調制技術也就孕育而生。

2.D類功放

2.1拓撲結構

D類功放主要分為半橋、半橋并聯(lián)、全橋、全橋并聯(lián)。

2.2系統(tǒng)結構

D類功放系統(tǒng)按照結構可以分為：信號處理部分、脈寬調制部分、驅動部分、功率輸出部分（見圖1-2）。信號處理部分進行噪聲濾除和增益調節(jié)，有些內置音效的功率放大器，會在該部分加入音效處理。脈寬調制部分負責將模擬音頻信號調制成PWM信號。PWM信號通過驅動電路和功率輸出部分，放大PWM信號并通過LC低通濾波獲得所需的模擬放大信號用以推動喇叭發(fā)出聲音。

PWM信號直接關系到模擬放大部分的失真度。在其它部分相同的情況下，采用不同的調制方式有著不同的結果，而相同的調制方式在不同的調制參數下結果也不盡相同。

3.PWM調制類型

PWM技術已經經過多年發(fā)展，現(xiàn)在已經較為成熟。通過對PWM部分進行改進，也衍生了較多的所謂E類G類T類功放。而就基本原理而言，他們仍然屬于D類功放。定頻脈寬調節(jié)由于結構簡單，在過去的D類功放產品中占據了主要地位，特別是中小功率的D類功放中尤為常見。帶反饋的自激式脈寬調制則多在500瓦甚至更高的功率上使用。

3.1定頻脈寬調制

3.1.1基本原理

定頻調制的基本原理是：采用三角波作為載波，將被放大信號一同輸入比較器進行比較，得到寬窄不一但周期一致的脈沖波形（見圖1-1）。此種波形在頻譜中含有大量的信號頻譜成分，通過適當的濾波器便可還原成原始信號波形。圖2-1中給出了雙極性SPWM調制的時序波形。

3.1.2應用分析

在定頻PWM調制中，采用開環(huán)方式多。由于輸出信號沒有參與PWM調制，該類功放產品結構較為簡單，調試也較為方便。

但是所帶來缺點也顯而易見：由于沒有帶反饋，系統(tǒng)較容易被干擾到，特別是電源的波動，嚴重的制約著這類功放的性能。保證足夠穩(wěn)定的電源也是該類功放獲取良好性能的必備條件。但是由于頻率固定在大功率輸出時，對于功率輸出開關管提出了更高的要求。在EMC方面也顯現(xiàn)出來不足：在輸出開關噪聲的功率譜中，也較為集中在載波頻率的奇次諧波當中。

3.1.3改善與發(fā)展

閉環(huán)定頻調制則是開環(huán)定頻調制的改良版本。通過引入負反饋，可以降低功放對于電源的依賴。由于引入負反饋，電源在一定范圍內的波動，并不會引起功放輸出波形的變化。在一定程度上克服開環(huán)定頻調制的缺陷，提高了系統(tǒng)的失真度指標。但是在大功率輸出和EMC方面仍然沒有任何的改善。

加入負反饋進行調制在一定程度上可以提高THD方面的指標，但是依然不能改善EMC問題以及解決大功率問題。

3.2閉環(huán)變頻自激脈寬調制

3.2.1基本原理

變頻自激調制的基本原理是：利用負反饋系統(tǒng)輸出信號跟隨輸入信號的原理，通過積分延遲以及比較器整形輸出近似PWM波形。此種方式輸出的PWM波形隨著輸入信號的變化，占空比在變化的同時輸入周期也在變化。由于在大信號積分過程需要更多的時間用以抵消誤差，積分周期的延長導致PWM頻率變低。

3.2.2應用分析

單閉環(huán)變頻自激調制，使用反饋環(huán)路結合運算放大器和比較器通過系統(tǒng)閉環(huán)自激的方式產生PWM波形，該方式由于PWM信號波形是由自激產生，省去了PWM控制器。而負反饋參與PWM調制，使得它有著先天的高保真優(yōu)勢。同時由于信號不斷加大，反饋深度的加強，載波頻率不斷走低，降低了開關頻率。相對于定頻PWM而言，而隨著開關頻率的降低也促使開關損耗降低。在輸出同樣功率的前提下，此種PWM調制模式可以降低對MOSFET和散熱器的要求，同時成本也得到了很好的控制。

因此，該調制模式在大功率（300W）以上的功放產品中得到廣泛應用。由于輸出波形為交流信號，隨著波形起伏，載波頻率隨之變化，載波頻率將在一個較大的范圍（如：200-400kHz）內波動，EMC的噪聲頻率將會較均勻的分布在一定區(qū)域內。因此EMC方面的問題也得到一定的改善。閉環(huán)反饋信號可以從LC濾波之前反饋，也可從負載喇叭端反饋。前者系統(tǒng)較為穩(wěn)定，失真度稍遜。后者在負載有較大變化時，可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由于反饋信號為喇叭端，所以LC的非線性失真能夠得到很好的抑制，因此失真度方面較有優(yōu)勢。

3.2.3改善與發(fā)展

隨著變頻自激調制方式的運用越來越多，相應的優(yōu)化技術也得到了發(fā)展。比較簡單的如：積分環(huán)節(jié)使用二階積分電路。復雜的則是雙閉環(huán)是雙閉環(huán)的引入：既在LC濾波前反饋，又包含喇叭端的反饋。使用雙反饋的目的可以帶來穩(wěn)定性和保真度方面的雙重好處。目前在少數發(fā)燒級功放產品上有應用。當然雙反饋對于參數的依賴和器件的模型化要求較高，各方面的性均會影響到實際效果。此種應用一旦被工程技術人員廣泛掌握，D類功放的性能也將全面得到提升。

4.系統(tǒng)仿真

仿真采用MATLAB進行仿真?；痉抡姝h(huán)境為：電源電壓為+/-160V,負載阻抗40ohm;5000Hz音頻信號；調制載波頻率為200k-400kHz.濾波電感為60uH,濾波電容為0.2uF.主要測試指標為THD.

4.1定頻脈寬調試仿真

4.1.1基于200kHz載波下的仿真結果及200kHz載波作為仿真分析，未加A記權情況下THD達到10%,該指標只能滿足入門級功放的標準。該圖3-2中的黃色部分波形線條上載波明顯且幅度較高。圖3-3中200kHz位置能量譜較高且集中，僅低過信號波形30dB.EMC方面具備較多的問題。

4.1.2基于200kHz載波下的仿真結果及分析

400kHz載波作為仿真分析，未加A記權情況下THD達到2.8%,該指標能夠滿足多數家庭功放的使用要求，但仍然不能應用于功放。載波峰值低于信號幅度40dB.

提高載波頻率后無論是在失真方面還是在EMC方面均有較高幅度的改善。由此可以判斷：使用更高頻率的載波將會進一步提高功放性能。然而高頻率的載波需要更高快速的器件，在現(xiàn)有技術情況下將會遭遇成本大幅提升的問題，且大功率的高速器件更是難以做大。

4.2閉環(huán)自激變頻脈寬調制

比較器延遲不能高于30ns.空載400kHz載波，滿載200kHz時的仿真結果：

閉環(huán)自激調制模式下，頻率范圍在200-400kHz間移動，未加A計權條件下THD達到了0.7%.在實際應用中加入A計權，THD可低