开关功率放大器

开关功率放大器的设计与总体报告——幻影凌风摘要：本系统是基于D类功率放大器的基本原理实现的开关功率放大器。使用音频AGC硬件电路实现话音信号的增益可控，调制器采用最基本的比较器，其中载波为200KHz三角波，即PWM调制；随后经过驱动电路，驱动H桥输出，随后经LC无源滤波接上负载。本设计谐波失真很小，音频信号恢复良好。本设计采用的“TI”芯片有：MSP430TLV3401NE555NE5534ADS1255TL431LM1117OPA227OPA2227THS4503一、方案的设计与论证开关功率放大器与一般的功率放大器很不一样，D类功率放大器具有开关功能，其基本结构见附录图1.第一部分为调制器，把三角波作为载波，音频信号作为调制信号进行PWM调制；第二部分就是D类功放，其功放管工作在开关状态因此具有极高效率，理论上效率能达到100%，实际也能达到90%以上；第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。1、话筒放大器的设计题目发挥部分要求有话筒放大，且用AGC控制，因此话筒放大电路放在音频信号输入之后。AGC即自动增益控制，对放大倍数进行自动控制（调节），音频AGC能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平，当输入信号增大时，AGC电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，利用负反馈的原理，对输出信号的幅值进行采样，得到一个控制电压，去反向调节放大倍数。自动增益控制（AGC）的方法有很多：方案一采用TI公司的VCA810实现自动增益控制。VCA810是直流耦合、宽带、连续可变电压控制增益放大器。它提供了差分输入单端输出转换，用来使高阻抗的增益控制输入超过-40dB～+40dB增益的范围内成dB/V的线性变化。从±5V电源工作，将调整为VCA810的增益控制电压在0V输入-40DB增益在-2V输入到+40dB。若采用这种方案，首先要对音频信号进行AD采样后送入单片机进行数据处理、判断，再经过DA转换给VCA810，过程复杂。方案二采用放大器构成负反馈。自动增益控制本身就是利用负反馈的原理，达到动态平衡。处于对成本及复杂程度的考虑，我们采用方案二。2、调制D类功放是用音频信号的幅度去线性调制脉冲的宽度。把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。3、开关功率放大器方案一采用推挽单端输出方式，其原理见附录图3.这个电路输出载波峰-峰值不可能超过5V的电源电压，因此最大输出功率远不能达到题目要求，所以此方案达不到要求。方案二选用H桥型输出方式，原理图见附录4.H桥两侧的桥臂呈对角线的管轮流导通，同侧桥臂不能同时导通，这样整个周期负载都能工作且可实现方向变换，驱动效率高。所谓驱动效率高就是要将输入的能量尽量多的输出给负载，而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量，具体到H桥上，也就是4个桥臂在导通时最好没有压降，越小越好。综上所述，我们采用H桥驱动提高效率。4、低通滤波输出将大功率PWM波形中的声音信息还原出来，也就是解调，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用LC低通滤波器。二、电路设计1、话筒放大器模块音频AGC能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平，当输入信号增大时，AGC电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，以使进入A／D的信号保持在最佳电平，又可使削波减至最小。如附录图5所示为音频AGC放大电路，电路输入20～40mV和输出0～1.2V可调电平，单电源供电，耗电电流小于1mA(5V电压)。J176为P沟道JEFT，它与R1、R3、R4构成等效电阻分压器，接入输入回路。当输入电平低于40mV(峰一峰值)时，输入均等地在R1、R3、R4之间分配，U1的输出幅度不足以大到使正峰值检测器J176导通。将结型场效应管的栅极拉到+5V，使其沟道夹断并从漏极到源极产生一个非常高的电阻；当输入电压峰一峰值高于40mV时，J176在U1输出的正峰值导通，降低了结型场效应管栅极到源极的电压。沟道电阻用来减少并衰减输入信号，以保持U1输出电压峰一峰值在1.2V左右。这种放大器动态范围大于50dB，输出波形的失真非常小，并具有启动快、缓慢衰减等优点。2、前级放大电路设置前级放大电路，可使整个功放的增益从1～20连续可调，而且也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为10W时，其上Vpp=12.6V，此时送给比较器音频信号的Vpp值应为2V，则功放的最大增益约为6。前级仍采用宽频带、低漂移的运放NE5534，组成增益可调的同相宽带放大器。选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri10K的要求。具体原理图见附录图6.当满幅放大时，其增益：1501RR1A2018v=50所以，增益可以在1～50连续可调。3、PWM调制模块用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏上的电压置后放在运放的正输入端，另通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：1的方波。当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1：1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，音频信息被调制到脉冲波形中。具体调制过程见附录图7.载波三角波的产生要求频率稳定，幅度稳定。555多谐振荡电路频率稳定，因为题目要求谐波失真度≤3％，而脉冲信号的频率根据失真度要求而定，频率越高失真越小，当脉冲频率与音频频率的最高之比为10：1时失真度约2，所以按输出最高频率即20KHz，则三角波频率应达到200KHz。比较器采用“TI”公司的TLV3401的超低功耗比较器，电路如附录图8所示。因为+5V单电源供电，为了给比较器的两个输入端提供+2.5V的静态电位，取R12=R15R13=R144个电阻均取10K，由于三角波Vpp=2V，所以要求音频信号的Vpp不能大于2V，否则会使功放失真。3、H桥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，这样的开关管要求是高速、低导通电阻、低损耗。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，相反，VMMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通电阻和良好的开关特性。如附录图4所示，同一侧的桥臂选择性质相反的对管，让它们不同时导通，但是要驱动MOS管，前级还需要一个驱动电路。4、H桥驱动模块目的是将PWM波整形变换成互补对称的输出驱动信号，可以驱动H桥的集成芯片有很多，我们选择IR2110.因为：（1）具有独立的低端和高端输入通道；（2）悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V；（3）输出的电源端（脚3）的电压范围为10—20V；（4）逻辑电源的输入范围（脚9）5—15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有V的便移量；（5）工作频率高，可达500KHz；（6）开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；进入IR2110的两个信号应该反相。5、解调模块及信号变换电路（功率检测电路）本电路采用的2阶巴特沃斯低通滤波器，对滤波器的要求是上限截至频率20KHz,在通频带内特性基本平坦。这里我们在谐振的基础上，用Multisim仿真出较佳参数，其电路如附录图9所示。信号变换电路（功率检测电路）要求电路增益为1，将双端变为单端输出，运放选用宽带运放NE5534，如附录图10所示。对于这部分电路的电源电压不加限制，由于运放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高。取R28=R30=R33=R34=10K则增益1RRA3028v其上限频率远超20KHz。三、软件设计单片机的作用就是测量功率及显示幅频特性曲线开始AD存储画幅频特性图显示当前上限与下限截止频率及中心频率四、测试方法与测试结果五、改进1、功率驱动要选择合适的驱动芯片，并且时序要正确。附录图1开关功率放大器基本结构图2系统结构框图图3推挽单端输出图4H桥驱动图5音频AGC图6前置放大电路图7调制过程图8PWM调制图9LC低通滤波图10信号变换电路