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基于D类功放PWM的探讨

作者:时间:2013-10-08来源:网络

1.引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/174600.htm

音频主要归结为四大类:

Class A、Class B、Class AB、Class D.

CLASS A是一种完全的线性放大形式的。采用单个晶体管放大,发热大效率低,但失真率极低。Class B也被称为线性,使用两个晶体管对正负信号进行线性放大,无信号时正负通道处于关闭的状态,即无损失,易产生跨越失真。Class AB兼具A类与B类功放的优势的一种设计。与B类相同的是采用两个晶体管放大正负信号,不同的则是在两者交越处附近使得两个晶体管均有微弱导通以克服B类功放的交越失真。

因此AB类具备B类效率的同时,失真度很接近A类功放。而D类功放与其他功放类型有着完全不同的工作原理,它采用高速开关管对信号进行放大。由于开关过程损耗极小,效率通常可达到90%以上,而且体积和重量方面也极具优势。近些年,随着开关技术的不断发展以及环保节能成为全球的主基调,D类功放越来越流行,并迅速成为的主流类型。其中关于如何进一步提高D类功放的效率以及D类功放的性能也成为广大工程技术人员的方向和目标。而其中PWM调制技术也就孕育而生。

2.D类功放

2.1 拓扑结构

D类功放主要分为半桥、半桥并联、全桥、全桥并联。

2.2 系统结构

D类功放系统按照结构可以分为:信号处理部分、脉宽调制部分、驱动部分、功率输出部分(见图1-2)。信号处理部分进行噪声滤除和增益调节,有些内置音效的功率,会在该部分加入音效处理。脉宽调制部分负责将模拟音频信号调制成PWM信号。PWM信号通过驱动电路和功率输出部分,放大PWM信号并通过LC低通滤波获得所需的模拟放大信号用以推动喇叭发出声音。

PWM信号直接关系到模拟放大部分的失真度。在其它部分相同的情况下,采用不同的调制方式有着不同的结果,而相同的调制方式在不同的调制参数下结果也不尽相同。

3.PWM调制类型

PWM技术已经经过多年发展,现在已经较为成熟。通过对PWM部分进行改进,也衍生了较多的所谓E类G类T类功放。而就基本原理而言,他们仍然属于D类功放。定频脉宽调节由于结构简单,在过去的D类功放产品中占据了主要地位,特别是中小功率的D类功放中尤为常见。带反馈的自激式脉宽调制则多在500瓦甚至更高的功率上使用。

3.1 定频脉宽调制

3.1.1 基本原理

定频调制的基本原理是:采用三角波作为载波,将被放大信号一同输入比较器进行比较,得到宽窄不一但周期一致的脉冲波形(见图1-1)。此种波形在频谱中含有大量的信号频谱成分,通过适当的滤波器便可还原成原始信号波形。图2-1中给出了双极性SPWM调制的时序波形。

3.1.2 应用分析

在定频PWM调制中,采用开环方式最多。由于输出信号没有参与PWM调制,该类功放产品结构较为简单,调试也较为方便。

但是所带来缺点也显而易见:由于没有带反馈,系统较容易被干扰到,特别是电源的波动,严重的制约着这类功放的性能。保证足够稳定的电源也是该类功放获取良好性能的必备条件。但是由于频率固定在大功率输出时,对于功率输出开关管提出了更高的要求。在EMC方面也显现出来不足:在输出开关噪声的功率谱中,也较为集中在载波频率的奇次谐波当中。

3.1.3 改善与发展

闭环定频调制则是开环定频调制的改良版本。通过引入负反馈,可以降低功放对于电源的依赖。由于引入负反馈,电源在一定范围内的波动,并不会引起功放输出波形的变化。在一定程度上克服开环定频调制的缺陷,提高了系统的失真度指标。但是在大功率输出和EMC方面仍然没有任何的改善。

加入负反馈进行调制在一定程度上可以提高THD方面的指标,但是依然不能改善EMC问题以及解决大功率问题。

3.2 闭环变频自激脉宽调制

3.2.1 基本原理

变频自激调制的基本原理是:利用负反馈系统输出信号跟随输入信号的原理,通过积分延迟以及比较器整形输出近似PWM波形。此种方式输出的PWM波形随着输入信号的变化,占空比在变化的同时输入周期也在变化。由于在大信号积分过程需要更多的时间用以抵消误差,积分周期的延长导致PWM频率变低。

3.2.2 应用分析

单闭环变频自激调制,使用反馈环路结合运算和比较器通过系统闭环自激的方式产生P W M波形,该方式由于P W M信号波形是由自激产生,省去了PWM控制器。而负反馈参与PWM调制,使得它有着先天的高保真优势。同时由于信号不断加大,反馈深度的加强,载波频率不断走低,降低了开关频率。相对于定频PWM而言,而随着开关频率的降低也促使开关损耗降低。在输出同样功率的前提下,此种PWM调制模式可以降低对MOSFET和散热器的要求,同时成本也得到了很好的控制。

因此,该调制模式在大功率(300W)以上的功放产品中得到广泛应用。由于输出波形为交流信号,随着波形起伏,载波频率随之变化,载波频率将在一个较大的范围(如:200-400kHz)内波动,EMC的噪声频率将会较均匀的分布在一定区域内。因此EMC方面的问题也得到一定的改善。闭环反馈信号可以从LC滤波之前反馈,也可从负载喇叭端反馈。前者系统较为稳定,失真度稍逊。后者在负载有较大变化时,可能会出现不稳定的现象。由于反馈信号为喇叭端,所以LC的非线性失真能够得到很好的抑制,因此失真度方面较有优势。

3.2.3 改善与发展

随着变频自激调制方式的运用越来越多,相应的优化技术也得到了发展。比较简单的如:积分环节使用二阶积分电路。复杂的则是双闭环是双闭环的引入:既在LC滤波前反馈,又包含喇叭端的反馈。使用双反馈的目的可以带来稳定性和保真度方面的双重好处。目前在少数发烧级功放产品上有应用。当然双反馈对于参数的依赖和器件的模型化要求较高,各方面的精确性均会影响到实际效果。此种应用一旦被工程技术人员广泛掌握,D类功放的性能也将全面得到提升。

4.系统仿真

仿真采用MATLAB进行仿真。基本仿真环境为:电源电压为+/-160V,负载阻抗40ohm;5000Hz音频信号;调制载波频率为200k-400kHz.滤波电感为60uH,滤波电容为0.2uF.主要测试指标为THD.

4.1 定频脉宽调试仿真

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关键词: 功率 放大器

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