基于D类功放的宽范围可调开关电源的设计日期2007.doc

基于D类功放的宽范围可调开关电源的设计 [日期：2005-7-11] 来源：电源技术应用? 作者：重庆交通学院基础部 周 平 [字体：大 中 小] ?? 摘要：结合PWM开关电源的原理对D类功放的工作原理进行了分析，提出了在D类功放基础上构建PWM正负可调开关电源的方法，并在成品D类功放器件基础上，成功地实现了经济实用的开关电源。 ??? 关键词：D类功放；PWM开关电源；反馈；稳压 引言 很多电子设备的开发研制过程中，都需要各种各样的实验与测试用通用稳压电源。这一类电源要求有较宽的调节范围、一定的输出功率以及完善的保护功能。以往的实验与测试用电源，为了实现输出的宽范围调节，大多使用基于模拟串、并联电路的稳压方式，其效率低下已是人们的共识。PWM脉宽调制开关电源的出现，大大提高了电源的效率，可是，现在的PWM开关电源的运用，大多局限在成品电器设备的固定电压的输出模式，其电压可调范围十分有限，而开关电源在通用电源的宽范围可调应用上并不普遍，特别是在对称的正负范围输出的可调应用上，即使有这样的产品其价格也相对较高。??? 作者结合PWM开关电源的原理对D类功放的工作原理进行了分析，认为利用D类功放可以在较为经济的条件下，方便地实现宽范围可调的PWM开关电源。 1 D类功率放大器的工作原理 如图1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3所示。??? 第一部分电路得到的PWM信号经过整形放大，驱动H桥中与高压大功率电源相连的的4只大功率CMOS开关管轮流导通，控制末级电源向负载提供的电流，从而获得大功率的PWM信号，该信号再经过负载前的LC滤波器，利用电感电容的充放电效应在负载上获得大功率的音频信号。D类功放中H桥输出的稳定程度，决定于给H桥供电电源的稳定性，故在D类功放末级必须使用稳压电源。 2 在D类功率放大器原理基础上实现PWM调制开关电源的设计思路 从上面分析D类功率放大器的工作原理可以得出下述几点推理。 1）当在音频输入端送入的信号是一个固定的直流电压值时，将在功放的输出端得到一个固定的电压输出值。与音频功放的情况不同，是从不稳定的大功率电源获得稳定的电压输出，即在H桥上连接的不是已经稳压的电源，而是仅仅经过简单整流滤波的非稳压电源。在输入信号足够稳定的情况下，输出电压的相对稳定要依靠输出和输入之间构建合适的反馈回路来实现。??? 2）当在输出端接上一个电位器调节放大器的输入信号在一个正负范围内发生变化时，放大器的输出也在给H桥供电的电源的正负幅值之间发生着变化，输入的一个很小的变化就可以在输出获得较大的从负到正的电压调整范围，故实现宽范围正负电压输出调节也是可能的。 3）由于电源设计是基于D类功放的，是工作在PWM的方式下，与PWM开关电源有相同的能量利用效率。 基于上述思路，设计出电路的原理框图如图4所示。 3 在D类放大器的基础上进行可调稳压电路的设计 3．1 PWM脉冲基本频率的设定 由于D类功放的PWM信号频率基于三角波发生器的频率，而且是为音频信号服务的，所以，三角波和PWM频率一般都设计得较高，为150～500kHz，这使得开关电源的输出电压的纹波小，电源的纹波系数高。因此，这一部分仍然使用原来的三角波发生器的设计，可以不改动原来的核心电路，特别是在使用成品D类功放电路构造开关电源时可以不改动原电路。图5??? 如果不用成品D类功放电路构造开关电源，可以使用LM556等电路来构造三角波发生器，具体电路及振荡频率的计算已有很多资料介绍，不再赘述。 三角波的输出应有足够的幅度，一般选±VPP=±（3～5）V，以给比较电路足够的信号强度。 3．2 电压调整部分的设计 电压调整部分的设计就是要改造原来的D类功放的输入端，即去掉原来的输入耦合电容，把一个可调稳压电路（如图5所示）的输出连接到输入端，代替原来的音频信号，使原来的功放输入信号Vin=（VW＋Vf）可以随着WR的调节在正负区间变化。 3．3 稳压部分电路的设计 作为一个开关电源，应具有足够的电压稳定度，这就要有采样电路在输出端进行电压采样，并经过反馈电路反相回送到输入端，通过对输入直流电压大小的控制完成电源的PWM脉宽调节，控制输出电压稳定在WR调节设定的电压值上，电压采样与反馈实验电路设计如图5所示。 稳压工作原理可分析如下： 在D类功放输入端送入一个直流电压，在输出端得到一个滤波后的直流电压，输