大功率高效音频放大器 摘要 本设计由三个模块构成三角波产生器，前.doc

大功率高效音频放大器 摘要 本设计由三个模块构成：三角波产生器，前级电压放大器和功率放大器模块。由运放组成的同相比例放大器对输入音频信号进行放大和增益调整。由三角波发生器产生50KHZ的三角波调制音频信号生成PWM调制波，通过互补放大电路驱动互补MOSFET全桥输出功率调制信号，再通过2阶Butterworth低通滤波器输出功率音频信号驱动负载。 方案论证与设计 （1）高效率功放类型的选择 方案一：采用A类，B类，AB类功率放大器。这三类功放的效率均达不到题目的要求。 方案二：采用D类功率放大器。D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100％，实际上电路也可以达到 80％－95％，所以我们决定采用D类功率放大器。 （2）高效D类功率放大器实现电路的选择 ①脉宽调制器（PWM） 方案一：可选用专用的脉宽调制集成块，但因为电压的限制，功率输出达不到要求，所以放弃这种方案。 方案二：采用图1－1所示方式来实现。三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作，故选用此方案。 图1－4 ②高速开关电路 a.输出方式 方案一：选用推挽单端输出方式（电路如图1－2所示）。电路输出载波峰－峰值要高，功率输出相对较低，达不到题目的要求。 方案二：选用H桥输出方式（电路如图1－3所示）。此方式可充分利用电源电压，能有效的提高输出功率，故选用此输出方式。 b.开关管的选择。为提高功率放大器的效率和输出功率，开关管的选择非常重要，对它的要求是高速，低导通电阻，低损耗。 方案一：选用晶体三极管，IGBT管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在存储时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。 方案二：选用VMOSFET管.VMOSFET管具有较小的驱动电流，低导通电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。 ③滤波器的选择。 采用两个相同的二阶Butterworth低通滤波器。这个滤波器容易实现，而且本店路对精度的要求并不高，二阶Butterworth低通滤波器可以满足要求。 二．主要电路工作原理分析与计算 1．D类放大器的工作原理 ①SPWM基本原理 PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 　　PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆　变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。  PWM控制的基本原理 　理论基础： 　　冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 ???????? 　　　　　图1　形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 面积等效原理： 　　分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 　　　　　　　　图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 　　用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。 　　　　　　　图3 用PWM波代替正弦半波 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。　如图所示，D类音频功率放大器由两部分构成。第一部分是输入比较和PWM信号形成电路，该电路中的三角波发生器产生固定频率和幅度的三角波信号作为脉宽调制的比较标准，通过比较器和输入的音频信号进行比较后输出PWM信号，该信号的脉宽是随着音频信号幅度的变化而成正比例地变化。放大器中的三角波、音频正弦信号产生的PWM波形及关系如图2所示。第二部分是H桥脉宽功率放大电路和输出大功率滤波电路，如图所示。