大功率开关电源的设计

大功率开关电源的设计摘要电源是设计电路的基础，设计开关电源必须综合考虑成本、解决方案、尺寸、电源大小与所需输出功率等因素，在使用开关电源的过程中要运用正确的方法并注意安全。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定的输出电压的一种电源。开关电源高频化是其发展的方向，高频化是开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。通过比较电压控制型和电流控制型PWM控制芯片的控制模式，针对宽输入，多路输出的设计要求，设计出了基于电流控制型PWM控制芯片UC3846、UC3842的两级变换器的组合式开关电源。第一级采用BUCK变换，第二级采用半桥推挽式变换器。关键词电流脉宽调制；降压式；推挽式；多路输出；设计。ABSTRACTTHEPOWERSUPPLYISTHEFOUNDATIONOFTHEELECTRICCIRCUITDESIGNTHESWITCHPOWERSUPPLYSHOULDBECONSIDEREDTHECOST,SOLUTION,SIZE,VALUE,POWERANDSOONINTHEDESIGNSWITCHINGPOWERSUPPLYISTHEUSEOFMODERNPOWERELECTRONICTECHNOLOGY，OPENINGOFCONTROLSWITCHTRANSISTORTURNOFFTIMEANDTHERATIOOFTHEOUTPUTVOLTAGETOMAINTAINASTABEPOWERSUPPLYHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYISTHEDIRECTIONOFITSDEVELOPMENT，HIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWEROFMINIATURIZATION，ANDSWITCHINGPOWERSUPPLYTOENTERAWIDERRANGEOFAPPLICATIONAREAS，ESPECIALLYINTHEHIGHTECHFIELDS，ANDPROMOTETHEMINIATURIZATIONOFHIGHTECHPRODUCTS，LIGHTOFBASEDONTOPOLOGYANDCONTROLAVARIETYOFTECHNICALMATURITY，ELECTRICALPERFORMANCE，ASWELLASCOMPARATIVEINDICATORSOFCOST，THROUGHTHEUNDERSTANDING，COMPARISONANDCURRENTCONTROLLEDVOLTAGECONTROLLEDPWMCONTROLMODETOCONTROLCHIPFORWIDEINPUT，MULTICHANNELOUTPUTOFTHEDESIGNREQUIREMENTSDESIGNEDBASEDONTHECURRENTCONTROLLEDPWMCONTROLCHIPUC3864，UC3842LEVELSOFTHEMODULARCONVERTERSWITCHINGPOWERSUPPLYBUCKTHEINTRODUCTIONOFTHEFIRSTTRANSFORMATION，THEUSEOFTWOPUSHPULLHALFBRIDGECONVERTERKEYWORDSCURRENTPWMBUCKPUSHPULLMULTIOUTPUTDESIGN目录摘要IABSTRACTII目录III绪论1第1章音频功率放大器的基础知识311声音的基本特性312音频功率放大器的结构及参数313音频功率放大器的技术指标3131额定功率3132频率响应3133输入灵敏度3134噪声电压414放大器的种类4141A类放大器4142B类放大器4143C类功率放大器5144D类功率放大器6第2章D类放大器的设计721一般D类功率放大器的组成情况和分类722各单元电路的作用介绍8221前置放大器8222脉冲宽度调制（PWM）电路8223三角波发生器8224驱动控制电路8225H桥式功率放大电路（功率输出电路）8226输出低通滤波器9227负反馈电路9228电平指示电路10229音频功率放大器的供电电源1023部分电路结构概念10231死区校正和全桥驱动10232自举11233全桥结构11第3章D类功率放大器的单元电路设计1331前置放大电路1332三角波产生电路1433脉冲调制电路1534驱动控制电路如下图所示1735功率输出电路1736滤波器电路1837电平指示电路（音量显示电路）1938供电电源电路20381非调整电源20382线形调整电源21383开关模式电源21第4章D类音频功率放大器的整体电路结构24结论26致谢27参考文献28附录一29附录二30绪论开关电源具有效率高、体积小、重量轻等特点，应用越来越广泛，从70年代开始，高效的开关电源飞速发展，逐步替代传统的线性电源，开关电源不需要较大的散热器，并用轻量高频变压器替代笨重的工频变压器。输出输入之间需要采用高频变压器隔离。高频开关电源技术，是各种大功率开关电源（逆变焊机、通信电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）的核心技术。高频开关电源的发展趋势是1、高频化，由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益。2、模块化，在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大地提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供充分的时间。电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的引用领域。开关电源高频化、模块化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。目前，各国正在努力开发新器件、新材料以及改进生产工艺，进一步提高效率、缩小体积、降低成本，以解决开关电源面临的新课题。设计开关电源首先要考虑的事选用合适的拓扑结构。拓扑结构类型选择与电源各个组成部分的布置有关，这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。电源技术发展到今天，已融汇电子、功率集成、自动控制、材料、传感、算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学。开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源，通过控制开关的占空比来调整输出电压。它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源形式。广义地说凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一形态的主电路都叫做开关变换电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的称开关电源。开关电源主要是用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器的负载电路与直流电压一会相接一会断开。主回路使用的元件是电子开关、电感、电容。电子开关只有快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速地进行转换；电感常为储能元件，也常与电容共用在输入输出滤波器上，用于平滑电流；电容与电感一样也是储存电能和传递电能的元件，但对频率的特性却刚好相反，主要是“吸收”纹波，具有平滑电压波形的作用。近年来，在高压大功率的应用场合，开关电源作为一种高效好型、高性能的电源已广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。采用开关电源后，可以使相关装置体积小、重量轻、功耗低、稳压范围宽，大大地改善了装置的控制可靠性及保护性能。第1章开关电源11开关电源的基本概念电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流直流或直流直流电能转换，通常称其为开关电源（SWITCHEDMODEPOWERSUPPLYSMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。开关电源具有体积小、重量轻、效率高这几个优点。因为具有这些优点，开关电源的应用越来越广泛，大有取代线性电源和相控电源的趋势。值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大，所以在需要非常低的噪声与纹波（如文波峰峰值要小于510MV）的情况下，仍需要线性电源，由于大功率全功率非常大1MW以上时，仍需采用相控电源。但随着控制技术和元器件技术的不断发展，开关电源的各方面的性能都在不断提高，容量也在不断扩大。12开关电源的发展随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家庭领域得到了广泛的应用，开关电源进入快速发展期。开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。1小型、薄型、轻运化。由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。2高效率为了是开关电源轻、小、薄，高频化（开关频率达到兆赫兹）是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关（属硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开发技术将成为开关电源产品未来的主流。3高可靠开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/D开关电源系列产品的可靠性大大提高。4低噪声开关电源的有一缺点就是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起适中损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本吧变压器设计成初级分离阻燃密封，自身具备对体噪声功能的模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。5抗电磁干扰（EMI）当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的开关电源日益显形生要。6电源系统的管理和控制应用微处理器或微机集中控制与管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化，中内处理单元实现智能控制，可自动诊断故障、减少维护工作量，确保正常运行。7计算机辅助（CAD）利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、EMI分析以及可靠性等进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。13开关电源的分类从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式；按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式；按开关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源。1自激式开关稳压电源自激式开关稳压电源的典型电路如图所示当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流IC在L1中线性增长，在L2中感应出使134噪声电压使输入为零时，输出负载上的电压称为噪声电压。LR测量使输入端对地短路，音量电位器为最大值，用示波器观察输出负载的LR电压波形，用交流电压表测量其有效值。14放大器的种类功率放大器按照信号导通角，可分为A，B，C和AB类四类，其情况简述如下141A类放大器我们省略电路的构造直接从特性曲线来讨论工作状态，见图11中左边为晶体管输入特性，固定置偏所形成的工作点在Q点，当正弦音频信号输入时，其幅度未超出线形范围，集电极工作状态处于截止区和饱和点之内，集电极电流为完整的全周导通的正弦波，此时导通角为180度，（导通角是以最小值至最大值之间占全周的部分来计算，全周导通时为180度）。这种放大状态失真度较小，但是，当无交流输入时，有约一半幅度（Q点）的直流电流，其损耗为，故效率是最低的，低COVI于50，所以这种A类功率放大器仅用于很小功率的收音机、助听器中，也可用于高级的HIFI功率放大器中。图11A类音频功率放大器，在输入信号最大时，为了晶体管不截止，而设定VB142B类放大器如图12所示，图12B类音频功率放大器，晶体管截止极限设定VB静态置偏为Q点，处于截止点上，因此信号输入时，只有半周导通（导通角为90度）。集电极输出半个正弦波。这种状态失真度就很大了，所以一般B类放大器都用双管做成推挽式，每个管子工作半周构成完整的正弦波以减少失真。B类状态的最大优点是无信号时原则上没有直流电流，因而没有直流功率损耗，效率超过50，但是由于曲线起始端的非线形，常将推挽放大器的两管均少量正向置偏，其导通角大于半周，故效率不能做得很高达6070，工作介于A、B类之间，故又称为AB类功率放大器。其情况如图13，14。图13SEPP电路，（在一般的音频功率放大器的输出级经常使用）图14AB类放大和B类放大143C类功率放大器情况如图15所示图15C类放大，仅必要导通期间设定VB静态置偏点在截止点之下，当信号输入时只有超过偏置点部分的管子才能导通，效率更高，但由于失真过大，难用于音频功放，一般多用于高频功放做为陪频器使用，集电极电流呈脉冲状，谐波丰富，再用高Q电路调谐于二次谐波输出完整波形的倍频正弦波。144D类功率放大器以上各类放大器介绍可知，影响放大器效率的基本因素是无信号时的工作电流所形成的直流功率损耗。无信号时电流愈大则直流损耗越大，效率越低。为此，要提高效率则应降低工作点，使无信号输入时，也没有直流损耗。但是，信号导通角愈小波形的失真则愈大，输出信号中谐波成分增加，这两个要求是相矛盾的。所以如果输入波形其他边沿很陡峭，降低工作点对导通角影响很小，那么就可以做到失真率不大而效率又可以得到提高。波形陡峭的极端状态时输入信号为矩形波，这种波形，无论偏置如何变化，由于前后边沿是垂直升降的，导通状态都不会发生变化，这样就诞生了工作于脉冲放大状态的D类功率放大器。D类放大器工作于开关状态，无信号输入时无电流，而导通时，没有直流损耗。事实上由于关断时器件尚有微小漏电流，而导通时器件并没有完全短路，尚有一定的管压降，故存在较少直流损耗，效率不能达到100，实际效率在8090，是实用放大器中效率最高的。正是由于D类放大器的效率高，100瓦输出的设备，直流功耗就十几瓦，故散热器就几个平方厘米，连电路板都可以做的很小，大大减小了体积和重量。并且由于工作在比音频高10余倍的脉冲状态，电源整流纹波对电路工作影响会很小。第2章D类放大器的设计当前的电子器件倾向于便携和小的尺寸，音频功率放大器采用了D类技术，D类功率放大器由于它的高效率，理论上可以达到100，而受到关注。D类放大器的输出级是CMOS的功率晶体管组成，提供扬声器负载需要的大量的电流，这些晶体管工作在或者是截止状态，或者是线形区，而不是饱和区，由于晶体管只有工作在周期间的一小部分是激活的，减小了开关的导通损耗，高的效率也因此成为可能，效率受D类输出级的晶体管的导通电阻（RON）影响。INPUTPREAMPPWMGAMERATORLPFSPEAKER图21D类功率放大器的框图图21是D类功率放大器的简单框图，D类音频功率放大器在工作方式上与产生控制PWM电压信号的开关电源相似。D类功率放大器的工作过程是当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器发声。当输入PCM数字信号时，数字信号经PCMPWM转换器，转变成PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经低通功率滤波器带动扬声器工作。21一般D类功率放大器的组成情况和分类22所示为一般的D类音频功率放大器的组成情况，它主要是由PWM波产生电路、功率放大电路、滤波电路和负反馈电路四部分组成。图22一般D类功率放大器的总体结构D类音频功率放大器根据开关放大器的工作方式不同，又分为两种类型1电压开关型D类功率放大器使放大器工作时，开关上的电压波形为方波。2电流开关型D类功率放大器使放大器工作时，开关上的电流波形为方波。22各单元电路的作用介绍221前置放大器前置放大器是在功率放大器之前而加入的一级放大电路。其目的是对输入的功率放大器的各种信号源进行加工处理，或放大、或衰减、或进行阻抗变换，使其和功率放大器的输入灵敏度相匹配。对其要保证低噪声、高信噪比、高转换速率、输出电阻要小及频带要宽等要求。为此在差分输入对管要选用低噪声优质的结型场效应管，运算放大器应选用低噪声、高速器件，电阻电容选用高精度、高稳定度及高质量元件。222脉冲宽度调制（PWM）电路PWM调制器也称为脉冲宽度调制器。该电路的作用是把加在它的输入端的模拟信号变成宽度或者占空比与输入信号成正比的脉冲。它由三角波产生器有的公司生产的D类功率放器中使用锯齿波发生器、电压比较器和驱动功率场效应晶体管的栅极驱动电路组成。三角波产生器是利用恒定电流对一个电容器的充电和放电而形成三角波。三角波的频率就是D类音频功放的振荡器频率，它是固定的。223三角波发生器三角波发生器电路采用迟滞过零比较器加反相积分器组成的典型电路结构，为了保证三角波在高频输出信号下的线形度及PWM脉冲信号边沿的陡峭度，运算放大器及电压比较器均采用高速的器件。224驱动控制电路对于驱动控制电路的要求一是把PWM信号整形成前后沿更加陡峭的脉冲；二是能倒相形成PWM和两个脉冲以满足H桥功率开关管的要求；三是为防PWM止同一桥臂上两功率管直通，PWM和两脉冲之间要有一定的死区时间；四是应具有保护功能，当负载出现过流或短路时，应封锁PWM和脉冲信号输出。PWM225H桥式功率放大电路（功率输出电路）功率输出电路一般我们采用H桥式功率放大器。H桥式功率放大器的简单电路图如图23所示。图23H桥式功率放大电路典型图H桥式功率放大器的任务就是把PWM信号中的调制信号解调出来，即开关式功率放大器就是一逆变器电路。对于逆变器的设计首先要选择开关频率高、导通电阻小的场效应管；其次应采用H桥式逆变电路，目的是使输出电压摆幅可以升高到接近于两倍的电源电压，增大功率放大器的最大不失真输出功率；再者为了减少输出电压的非线性失真，逆变器的输出端应接入LC低通滤波器。226输出低通滤波器功率输出电路送到负载的信号是一串脉冲，脉冲的占空比和加在脉冲宽度调制器输入端的模拟信号幅度成正比，但是脉冲包含的基频和谐波是有害的，必须通过低通滤波器LOWPASSFILTER把基频和谐波超高频信号滤除，仅留调制音频信号模拟信号的部分，用以驱动扬声器。所以在H桥功率放大器及负载之间加一个低通滤波器是必须的。如果没有低通滤波器，在负载上的纹波电流会显著地降低效率，并且会干扰其它电子设备。一种简单的LC低通滤波器如图24所示图24简单的LC低通滤波器该低通滤波器在负载阻抗为4时，L1L215H，C1C22F，负载阻抗增加时，C1，C2可适当的减小。227负反馈电路为了稳定D类音频功率放大器的增益并优化频率特性，D类音频功率放大器通常设计有反馈放大器如图25所示。图25负反馈电路结构228电平指示电路电平指示电路是性能比较优良的收录机，录音机常有的电路。结构简单的电平指示电路如图可见，信号由左端输入，驱动LED显示。BT201CGND图26简单的电平指示电路也可采用加了放大器的电平指示电路如图27所示，由于加入了放大器，指示灯与负载隔离，同时提高了指示灵敏度。3DG12120RES210RES2LEDVCCGND10CAPGND图27带放大器的电平指示电路229音频功率放大器的供电电源音频功率放大器的供电问题，大都采用50HZ交流电力网供给，然而其内部的用电器件却都采用直流供电。音频功率放大器的供电电源，主要有三种类型，即非调整电源、线性调整电源和开关模式电源。在这三种类型的电源中，非调整电源将是最有成本效益的选择方案。23部分电路结构概念231死区校正和全桥驱动当功率放大器采用的是直流全对称方式时，功率管直接跨接于电源两端，任意时刻，功率管都不能同时导通，但由于功率管有个开启和关断的过程，在过渡过程中，必然有一个瞬间，一个管子没有完全关断，另一个管子已经开始导通。此时，就有很大的电压和电流加在两个功率管上，功耗非常大，器件温度升高很快，常常会烧坏管子，安全受到威胁，可靠性能降低。因此，必须进行死区校正。死区校正其实质就是在两管子交替导通过渡期间加一段时间，在这段时间里，保证两只管子都不导通，以保证一只管子在完全关断后，另一只管子才开启，这样就避免了开关过程中大量的发热和直接的危险。232自举要使功率NMOS晶体管保持开关状态，必须保持栅电压始终大于其阈值电压。当功率管的上管导通后，如果栅电位不稳定，不随之升高，就会出现栅源电压低于阈值电压而被迫关闭的情况。因此，上管应采用所谓的“浮栅驱动”。为高压驱动电路提供一个浮动的供电系统，这里采用的是自举原理，这种方法的优点是方便，而且效率高，体积小。自举电路的原理图如图28所示。图28自举电路原理图由这个电路可以看出，12V电源串联二极管后，再在二极管负极与功率MOSFET源极之间串联一自举电容，当源极电位为零时，自举电容从12V电源经自举二极管充电至12V左右。当源极电位因MOSFET导通而升高时，自举电容负端电位被提升，二极管D反相截止，自举电容上的电荷无法排放，将保持比功率管源极电压高12V的电压，通过驱动电路加于MOSFET的栅极，使功率管在开启时保持开态，实现自举。233全桥结构其功率放大器部分采用4个场效应管的全桥结构，如图29所示。图29后级功率输出电路原理图工作于全桥方式时，图中的两路场效应管是相互独立交替工作的，分别在负载上产生两路反相的方波信号。加在负载上的最大输出峰值电压（不考虑管压降）均可以到达电源电压VCC，因此它的最大可能输出功率为LCORVP2/从而提高了输出功率。采用全桥方式，可以在单电源下工作，简化了电源电路。但是，由于脉冲波的前后沿不可能理想的陡直，而形成斜坡状，致使管子在交替工作的瞬间出现相互重叠的导通部分，上管还没有完全关断，下管已经开启，当这种现象发生时，会使电源通过串联的两支管子直接短路而不经过负载，称为短路贯通，在两个管子加上了VCC大小的电压，由于MOS管的导通电阻很小，流过的电流会很大，不仅会形成能量的无效损耗，而且很容易使MOS管因短路电流过大而烧毁。如下图210所示，所以，必须采用死区校正方案。图210产生短路波形的示意图第3章D类功率放大器的单元电路设计31前置放大电路前置功率放大器的目的在于对输入功率放大器的各种信号进行加工处理，使其能和功率放大器的输入灵敏度相匹配，简单的前置放大器的简图如图31所示图31简单的前置放大器它由外接输入耦合电容CIN确定放大器增益的输入电阻RIN级反馈电阻RF及内部提供的共模电压VCM组成。这部分与一般的单电源前置放大器不同之处在于其共模电压不是1/2VCC。由CIN及RIN决定了高通滤波器3DB截止频率F3DB，F3DB与RIN，CIN的关系为F3DB1/2CINRIN；放大器增益AVD与RIN及RF的关系为AVDRF/RIN；经过前置功率放大器放大后的最大输出信号与VCM的关系如图32所示。如VCM03VCC则前置放大器最大输出电压幅值为06VCM。图32前置放大器的输出关系图图33为采用差分输入方式的前置放大器的结构，音频信号U1由左端输入，经过阻直电容输入结形场效应管的栅极。结形场效应管采用3DJ4F，运算放大器采用低噪声，高速器件NE5532，电阻、电容选用高精度，高稳定度及高质量的元件。经实际测试其技术指标为输出噪声电压小于25V；频带宽度5050KHZ；谐波失真小于002；转换速率大于10S/V。图33前置放大器电路32三角波产生电路三角波发生器我采用的是如图34电路2374618HA522110KR710KR110KR31UFC3100PFC2R250K5KR610KR505UFC510KR310KR41UFC4VCC112233445566ICM7555D1N5404C601UFC1250PF图34三角波产生电路本电路设计是通过使用一种定时器电路（ICM7555）来实现的。ICM7555在最高达10MHZ的可变频率范围上产生一个12VPP方波，然后通过集成电路变换成为三角波输出。该电路由运算放大器（HA5221）和电阻器电容网络组成。该发生器产生高频线性三角波，用以把D类功率音频放大器中的总谐波失真（THD）减小到最低程度。这种三角波线性度很难在高频上产生，这是因为方波具有不整齐的边沿和完整的拐角。对于这个问题，可以采用ICM7555定时器来解决。方波的斜率还取决于负载和反馈调节，以及运放的偏移。一个问题即畸变的三角波顶部和底部问题可以用HA5221宽带低偏移运放IC来解决。另一个问题即对着电源总线之一的三角波漂移问题可增加两个低通滤波器负反馈电路来解决。该电路由两个IC电路组成；改进型通用555定时器和运放。三角波是通过积分器电路对方波输出进行积分而产生的。积分器电路由电容器C1、电阻器R1和宽带底偏移HA5221运算放大器组成。三角波的幅度值由输入电压除以R1C1时间常数确定。ICM7555定时器提供轮廓鲜明的，占空因数为50的对称方波。频率由下式确定241/CRF峰峰三角波电压为VPP（三角波）VPP（方波）/（2FR1C1）电阻分压器（R3和R4）对V/2的三角波中点。由于方波不会正好在V和地之间切换，因此方波由R7，R8和C3组成的滤波网络进行低通滤波，并加到运算的非倒相输入端。这实际上是对三角波输出的中点进行细调。另一个低通滤波器是由R5，R6和C4组成的，将三角波输出的平均值反馈到倒相求和。这就会平衡掉三角波向电源总线漂移的倾向。33脉冲调制电路PWM调制器也称为脉冲宽度调制器。该电路的作用是把加在它的输入端的模拟信号变成宽度或者占空比与输入信号成正比的脉冲。它由三角波产生器有的公司生产的D类功率放大器中使用锯齿波发生器、电压比较器和驱动功率场效应晶体管的栅极驱动电路组成。三角波产生器是利用恒定电流对一个电容器的充电和放电而形成三角波。三角波的频率就是D类音频功放的振荡器频率，它是固定的。脉宽调制电路即PWM控制电路，实质上是一个电压比较器，如图35所示图35图36它的同相端输入前置放大器的输出信号电压，它的反相端输入锯齿波电压。这两个电压经比较后，输出与音频信号幅度值成正比的脉宽信号。在A点以前，音频信号电压大于锯齿波电压，比较器输出高电平（接近VCC电压）；在A点以后，B点以前，锯齿波电压高于音频信号电压，则比较器输出低电平；在B点以后C点以前，音频信号电压又高于锯齿波电压，则比较器输出高电平。这样，由比较器输出脉冲宽度与音频电压信号幅度成正比的PWM信号。将音频信号电压、锯齿波电压及比较器输出的PWM信号画在一起如图36所示。由图可以看出，锯齿波的电压幅值是2VCM；输出的脉冲宽度与音频信号电压的幅值成正比。音频信号电压为0时，输出脉冲占空比为100；输出脉冲的频率等于锯齿波的频率。SOCF脉冲宽度调制电路将直接影响音频功率放大器的性能指标。对于高频载波三角波，为了减小输出音频信号的非线形失真，要求三角波信号的两个斜边对称且具有高的线形度。对于载波频率的要求，理论分析表明，载波频率越高，功率放大器的输出高频干扰越容易滤除，输出波形失真也越小；但功率放大器的开关频率也升高，这将大大的增加开关器件的开关损耗，造成功率放大器的效率下降。因此，一般载波信号（三角波）的频率和调制信号（取正弦波）的频率满足如下关系TSFF201其中，为载波信号频率，为调制信号的频率。功率放大器的通频带为SFT10KHZ，取三角波信号的频率为120KHZ。对于脉冲调制电路，我所采用的是高精密、高速度的比较器LM111。LM111是一种新型的电压比较器。它与其他的电压比较器不同之处在于其一，该器件的输入误差电流很小，故可应用在高阻抗电路中；其二，应用灵活，它不但能驱动DTL、TTL逻辑电路，而且还能与MOS逻辑开关和FET模拟开关接口；其三，它能由单5V电源供电去驱动DTL或TTL电路这就使得电路电源得以简化。该器件中主要使用了输入端的PNP晶体管的缓冲而获得较低的输入电流。输出端V11为输出管，由于该电压比较器的输出端与地端均与电路中其余点隔离，这就使得输出方式变的极为灵活，既可以由输出端直接输出，亦可以从地端串入负载输出。当V端与地端相连时电路即可实现单电源供电。脉冲调制器的具体电路结构如图37所示32817654U3LM11110KR1210KR1310KR1410KR1510KR16图37脉冲调制电路结构由前置放大器输出的音频信号送入比较器的同相端，由三角波产生电路生成的锯齿波送入比较器的反相端，供电电压为5V的单电源，为给VV提供符合要求的静态电位，取R12R15，R13R14，4个电阻均取10K。R16构成负反馈电路。输入的两个信号经比较器比较之后，输出与音频信号成正比的脉宽调制信号。34驱动控制电路如下图所示123UA4081123UA4081123UA4081123UA4081123UA4030123UA403032UA404932UA404932UA404915KRT100PF图38驱动控制电路为了达到驱动控制电路应具备的四个方面的要求，即一是把PWM信号整形成前后沿更加陡峭的脉冲；二是能倒相形成PWM和两个脉冲以满足H桥功PWM率开关管的要求；三是为防止同一桥臂上两功率管直通，PWM和两脉冲之间要有一定的死区时间；四是应具有保护功能，当负载出现过流或短路时，应封锁PWM和脉冲信号输出。根据以上要求，做出电路如图所示。PWM该电路采用5V电源供电，所有逻辑器件均采用CMOS集成器件，当过流保护信号为高电平“1”时，驱动电路正常工作，R、C决定死区时间；当过流保护信号为低电平“0”时，驱动电路无脉冲输出。35功率输出电路功率输出电路我们采用H桥式功率放大电路，H桥式功率放大器电路的任务是把PWM信号中的调制信号解调出来，即开关式功放就是一逆变器电路。对逆变电路的设计首先要选择开关频率高，导通电阻小的场效应管；其次应采用H桥式逆变器电路，目的是使输出电压摆幅可以升高到接近于两倍的电源电压，增大功率放大器的最大不失真输出功率。再者为了减少输出电压的非线性失真，逆变器的输出端应接入LC低通滤波器。具体的功率输出电路结构如图39所示。整个放大器电路由四个输出电容小，容易快速驱动的场效应管组成，在这里我们采用IRFD120（N沟道）和IRFD9120（P沟道）组成。左面两个场效应管（上为IRFD120，下面为IRFD9120）的栅极组成放大器的同相输入端，另外两个场效应管（上为IRFD120，下为IRFD9120）的栅极组成功率放大器的反相输入段。一路信号由放大器的左端（两个场效应管的栅极）输入，另一路反相信号由放大器的右端（两个场效应管的栅极）输入；输出则由两场效应管的漏极相连接组成。Q1Q3Q2Q4图39功率输出电路的结构36滤波器电路功率输出电路送到负载的信号是一串脉冲，脉冲的占空比和加在脉冲宽度调制器输入端的模拟信号幅度成正比，但是脉冲包含的基频和谐波是有害的，必须通过低通滤波器LOWPASSFILTER把基频和谐波超高频信号滤除，仅留调制音频信号模拟信号的部分，用以驱动扬声器。低通滤波器的截止频率决定功放频率响应的高频上限。此高频上限随着输出负载不同而改变，可选3040KHZ。低通滤波器的电感器中流过的电流很大，电感线圈的电阻和电容器的等效串联电阻都会消耗功率，也就是说，输出低通滤波器会降低D类功率放大器的效率，必须使用等效串联电阻小的电感器和等效串联电阻小的电容器。用二阶低通滤波器时需要的元件数量少、成本低，对高频的衰减作用要差一些。用四阶低通滤波器需要的元件数量多、成本增高，对高频的滤波效果要好过二阶低通滤波器。提高开关频率可以降低电感器和电容器的数值，从而可以使用体积较小的电感器和电容器，便于布置印制电路板，也可以帮助降低MOSFET管的开关损耗。同样无源元件的高频损耗也会引起效率下降。在设计时应当在这些互相矛盾的因素之间进行折衷，通常该电路采用功率损耗较小的二阶低通滤波器。具体的电路结构如图310所示。图310输出低通滤波器的结构由图可知该滤波器由两个电感、电容和一个电阻组成。功率输出器输出的信号送入该滤波器的左端的两个输入端，右端接扬声器发声。当然对于高电感的扬声器可以省去该滤波电路，而直接接功率输出电路的输出端。我们也可以采用四阶巴特沃斯低通滤波器（如图311所示）。滤波器的左右两个端均接功率输出电路的输出端，在该滤波器中个元器件的参数如图所示。对滤波器的要求是上限频率20KHZ，在同频带内特性基本平坦。L122UHL447UHL322UHL247UHC11UFC2068UFSPEAKERC3068UFC41UF图311四阶巴特沃斯低通滤波器37电平指示电路（音量显示电路）为了符合整体电路要求，电平指示电路我采用的是5端LED显示，也及带放大器电平指示的电路，具体的电路结构如图312所示。Q13DG201Q23DG201Q33DG201Q43DG201Q53DG2015006025D12CP106D2D3D4D5GNDD633UFGNDVCC图312五段电平指示电路该电平指示电路可以认为是一个结果显示电路接在功率输出放大器的输出端，功率放大器的输出信号由最左边的三极管的基极送入。该电路由分立元件组成，经倍压整流的音频电压达到05V，最右边的晶体管先导通，其集电极上的发光二极管点亮。随着输入信号的增大，从右到左，发光二极管依次发光。我们也可以采用现成的集成电路来实现电平指示，图313就是采用集成电路LB1405驱动，可以做输出电平指示或录音电平指示。调节电位器（10K）可控制指示灵敏度，改变集成电路15角外接的47F电容大小，可以改变闪灯的响应频率。18169270VCC2K133GND15K100K47100K51P10K4720KSPLB1405图313采用集成电路LB1405的电平指示电路38供电电源电路音频功率放大器的供电问题，大都采用50HZ交流电力网供给，然而其内部的用电器件却都采用直流供电。显然，这就需要将电力网供给的交流电转换为直流电，以按照各自用电器件规定的电压和电流供给。这就是我们将要介绍的音频功率放大器的供电电源。其内容涉及到供电电源类型及优缺点，设计时需考虑的问题以及抗干扰等。音频功率放大器的供电电源，主要有三种类型，即非调整电源、线性调整电源和开关模式电源。在这三种类型的电源中，非调整电源将是最有成本效益的选择方案。下面就介绍以下三种供电电源的特性381非调整电源非调整电源是由变压器、整流器和滤波电容器组成的，属于线性调整电源最简单的一种供电电源。它的优点主要是1简单可靠，而且便宜相对来说，传统的铜线铁芯电源变压器也许是放大器中最昂贵的部件。2不存在开关频率而带来的不稳定性和高频干扰的可能性。3放大器可在瞬态峰值上馈送较高的功率。这一点正是放大器所需要的特性。它的缺点主要是1在直流输出电压中呈现有值得注意的纹渡。这对放大器来说，需要考虑电源抗干扰比这一指标。2电源变压器相对地将是沉重且大体积的部件。同时变压器初级线圈的接头需根据不同国家及它们的电源电压而作改变。3桥式整流器在二极管关闭的瞬间将100HZ的重复率产生脉冲，且随着供电电流的增大这一情况将进一步恶化，这说明采用非调整电源而不采用开关电源，并不意味着射频干扰会全部沉寂。382线形调整电源线性调整电源是在非调整电源亦即整流部分的基础上，再增设自动调压器部分而构成的。其中，非调整电源提供一个非稳定的直流电压，而自动调压器部分则将此非稳定的直流电压通过调整元件后在负载上得到一个稳定的直流电压。通常又称为稳压电源。它的优点主要是1直流输出电压稳定、纹波很小，可以放宽放大器对电源干线抗干扰的要求。2面对电网电压的变化可提供恒定的音频功率输出。3为了防止放大器出现直流事故时存在的电子线路失效的几率，可配置保护电路，以免供给电源受损。它的缺点主要是1电路结构复杂，潜在地较为不可靠。因为元器件的增多必然会降低总的可靠性，再加上保护电路本身也将需要某些种类的反馈保护特性，如果放大器因输出器件遭到损坏则调压器部分也可能被损坏。2造价相对比较昂贵。一般来说，它至少需要增加两个大功率晶体管，还要增加相关的控制电路和过流保护。这些功率器件都还需要散热和硬件安装以及短路检测电路等，必然会使造价昂贵。3对于不同的电网电压，电源变压器的初级接线端接线，也必须予以改变，4集成电路式的调压器根据电压和电流的要求，通常是不可使用的。必须采用分离元件的电路设计，且通常不能以OEM方式购置除非以不经济的高成本作为代价。5可能出现严重的高频不稳定性问题，或者是本身出问题，也可能是与被供电的放大器一道出问题。其原因可能是变压器的输出阻抗大概会随频率升高而增大，这会导致某些高频的不稳定性。6放大器不再能对瞬态峰值信号馈送更高的功率。7对于瞬态电流需求的反应大概是慢速的，因此影响了转换效率指标。383开关模式电源开关模式电源是一种采用脉宽调制或脉冲频率调制式的开关电源。其调整元件工作在开关状态，通常是由取样电压与基准电压比较后得到的差动信号，去控制振荡器输出的脉冲宽度或脉冲频率，并将这些脉冲串放大后去控制开关管的导通与截止。于是得到一系列宽度可变的矩形渡电压，最后通过高频滤波即得到平滑的直流电压输出。它的优点主要是1纹波比非调整电源要小得多，与线性调整电源相比，虽然不如好的线性调整电源设计更好，但典型值为20MV峰一峰值。2没有笨重的电源变压器，在总的设备重量上显著地减轻了，这对于广播设备来说是重要的。3能够以OEM方式购置。因为开关模式的设计是专家们的特殊性工作，OEM方式购置几乎是强制性的。4在放大器出现危险的直流偏调情况下，开关模式电源可设计成使其进入关闭状态。5对于整个世界范围内可提供的电网电压，无需调节就可以正常地工作，即使电压不同，仍能给出相同的音频功率使其适应电压范围，一般为90260V。它的缺点主要是1属高频干扰的多发源，欲从音频输出中全部消除高频干扰是极端困难的。2100HZ纹渡不可忽视，必需在放大器中采取电源抗干扰预防措施。3电路结构要比非调整电源复杂得多，因此可靠性要下降。4对瞬态电流需求的反应可能是比较慢的。总之，从上述的三种类型电源来看，似乎已清楚地认识到调整电源对于功率放大器来说，并不是很有利的。实际上，对于三种类型的电源来说，如果认真设计的话，均可给出极好的声音。显然，采用非调整电源将是最具经济效益的一种方案，不过其主要关键在于设法消除频域的纹波。对于线性调整电源而言，其方案表现出来的挑战，将在于设计两个复杂的负反馈系统，如果其中有一个出现任一高频不稳定性的话，则两个负反馈系统的紧密耦合将极易使二者成为致命的结合。再者，从考察的典型放大器设计角度来看，通常典型放大器的设计都具有极好的电源干线抗干扰能力，这样采用简单的非调整电源就可以完美地适用于放大器使用，而调整电源的使用就没有必要了。因为采用调整电源，即使取得了最好的结果，但在高频电路的购置、制造和测试的成本上就已经加了倍，尤其是在某些情况下，将可能碰到难以驾驭的高频稳定性、特殊的转换限制以及某些昂贵器件的失效等问题由于整个系统即包括模拟电路，也有数字电路，为了减少相互干扰，故采用自带4路电源5V，5V，12V，12V，分别对各部分电路供电。电路图如下图2000UF/25V470UF/25F470F/25V01UF01UF132VVGNDINOUT78L12132VVGNDINOUT79L1201UF01UF132VVGNDINOUT78L05132VVGNDINOUT78L0501UF01UF01UF5V1234220V12V12V5V12432200F/25V01UF图314音频放大器供电电源电路结构第4章D类音频功率放大器的整体电路结构D类音频功率放大器的总体结构电路如下图所示，32817654U3LM11110KR1210KR1310KR1410KR1510KR161UFC31UFC62374618HA522110KR710KR110KR31UFC3100PFC2R250K5KR610KR505UFC510KR310KR41UFC4VCC123UA4081123UA4081123UA4081123UA4081123UA4030123UA403032UA404932A404932UA404915KRT100PFQ1Q3Q2Q41UF06810KQ13DG201Q23DG201Q33DG201Q43DG201Q53DG2015006025D12CP106D2D3D4D5GNDD633UFGND112233445566ICM7555D1N5404C601UF2000UF/25V470UF/25F470F/25V01UF01UF132VVGNDINOUT78L12132VVGNDINOUT79L1201UF01UF132VVGNDINOUT78L05132VVGNDINOUT78L0501UF01UF01UF5V1234220V12V12V5VC1250PF3DG4F3DG4F15K15K51K20K2K20K300PF10UF56K100UFNE5532470K10UF12432200F/25V01UF图41D类音频功率放大器的整体结构电路图由图中可以看到，该D类功率放大器包含供电电源电路、三角波产生电路、前置放大电路、PWM脉冲调制电路、驱动电路、H桥式功率放大电路、5段LED电平显示电路、低通滤波电路。各个电路的功用和组成已经在前面的章节中详细叙述了，在此就不罗嗦了。该D类音频功率放大器的工作过程是输入的音频信号先经过前置功率放大器的筛选，送入PWM放大器的同相输入端，同时有555定时电路生成的方波信号经HA5221生成三角波信号送入PWM放大器的反相输入端；经驱动电路送入H桥式功率放大电路，送扬声器输出发出声音；5段LED电平显示电路的作用是根据音量的大小同步的显示。电源供电电路提供该D类音频功率放大器内的所有晶体管、逻辑电路、集成电路的电源、交变电流