1、第11卷第11期2011年4月 167l一1815(2011)11248306 科学技术与工程 Science Technology and Engineering Vo111 No11 Apr2011 201 1 SciTechEngng 机电技术 D类功放开关电源的设计与实现 史延东 王泊洋 宁 飞 (西北工业大学，西安710072) 摘要 介绍了一种具有变频启动功能、可驱动超大电容负载的功放开关电源；同时在前级添加了有源PFC。另外为了更好 地辅助硬件电路参数的设计，还分别针对PFC及功放电源两部分进行了Pspice电路仿真。仿真及实验结果表明：这种功放开 关电源可以稳定推动4万 F大电
2、容负载，而前级的PFC环节功率因数近乎为1，且总谐波失真度小于3。 关键词功放开关电源 大电容负载PFC Pspice仿真 中图法分类号TM5642； 文献标志码A 开关电源虽然有无可比拟的优点，但在音响功 率放大器中的应用却不尽人意。究其原因：首先， 是可靠性欠佳，加之价格偏高；其次，是开关电源的 纹波干扰和反应速度对音质也有影响。因为开关 电源工作在矩形脉冲状态，其谐波分量频谱极宽， 要消除空间电磁场辐射和输出电路中残余纹波比 较困难 。 D类功放电源与一般的开关电源相比最大的不 同之处在于功放电源的滤波电容一般非常大，可以达 到几万甚至几十万 。这种情况下一般的开关电源 由于其输出电流所
3、限，无法快速地使得输出电压建立 起来。而本文中提出了变频启动的方案有效地解决 了这个问题。另一方面，为了提高整个电子整流器 的功率因数，适应高要求的工作场合，减少对电网 的污染，通常需要结合功率因数校正环节。本文中 采用的是基于IR1 150的有源功率因数校正电路，这 一款芯片采用的是单周期控制技术，因此动态响应 迅速，输出稳定，校正后的功率因数可达到099以 上。下面首先介绍功放开关电源的设计。 2011年1月19日收到 第一作者简介：史延东(1962一)，男，陕西西安人，研究生导师，副 教授，研究方向：模式识别，开关电源技术，电声技术等。 通信作者简介：王泊洋(1986一)，男，陕西西安人
4、，硕士研究生，研 究方向：电力电子与电力传动。 1 D类功放开关电源简介 21 D类功放专用开关电源的特点 D类功放，即数字功放，其功率管的驱动信号是 由信号源与锯齿波信号比较得到，而其工作电流则 由前级的功放电源提供，图1便是典型的功放电源 的组成示意图。 图1 功放开关电源基本构成图 D类功放用电源与普通开关电源主电路结构是 相同的，不同之处在于功放电源的滤波电容较普通 电源要大很多，这是因为功放电源的滤波电容不仅 仅只起到滤波的作用，它还有一些其他作用： (1)根据电容“隔直通交”的特性，较大的滤波 电容可以有效滤掉交流信号，使得电压波形更为平 滑。更为重要的是这些交流干扰信号如果不经滤
5、 科学技术与工程 11卷 除，给后级的功放引入干扰，严重时甚至影响音质。 (2)出于对声音音色的要求，不同频段的信号 源可能需要功放输出不同的功率，有时需要电源瞬 时提供大电流。这就需要滤波电容足够大以保证 电流输出同时电压的平稳。 (3)为音频信号提供通路，只有滤波电容足够 大，其寄生电感足够小时，音频信号中的高频信号 才能通过，使得经过功放后的音质及音色得以保 证。因此功放滤波电容应当采用小电容并联的方 式以减小寄生电感的影响。 但是如此之大的滤波电容在电源启动时充电 Cvccl T 过程又是十分缓慢的，并且充电时的冲击电流也非 常大，普通电源根本无法承受如此巨大的电流。本 文中采用的变频
6、启动可以很好地解决这一问题。 2 D类功放开关电源的主电路设计 21半桥式逆变的主电路结构 主电路部分采用半桥式逆变电路，针对上文提 到的上电时的冲击电流大的问题，振荡器选择了 IR2156。图2即是基于这一款芯片的半桥式逆变以 及整流滤波电路图。 图2基于IR2156的半桥式逆变及整流滤波电路 IR2156本是一款荧光灯专用的驱动芯片，但是 由于荧光灯点亮过程中一样需要通过很大电流，因 此IR2156非常适合驱动功放开关电源。IR2156最 大的特点在于：通过外部电路参数的配置可以设定 启动时的工作频率以及维持的时间，而在启动完成 时则工作在另一频率 。依据这一功能，采用高频 启动就可以安全
7、迅速地启动，具体原理如下： 假定高频启动时功率管开关频率为200 kHz， 正常工作时频率为50 kHz，上下桥死区时间为500 ns。那么200 kHz时实际占空比为40，50 kHz时 实际占空比为475。因此在高频启动的过程中 滤波电容上所加电压要小于稳定工作时的电压，而 电容充电时的冲击电流也因此减小。而当工作频 率由200 kHz向50 kHz滑动时，电容充电电流虽然 还会增加，但已经不会形成冲击，反倒可以加快电 容的充电过程，使电压迅速升高到稳定工作电压。 另外，根据不同的负载，IR2156的高频启动时 间可以通过C。 电容的取值来改变。 22 1112156高频启动过程的仿真 为
8、了更好地指导硬件电路的设计，本文使用内 嵌Pspiee模型的Oread电力电子仿真软件对IR2156 的高频启动推动大电容负载的工作状态进行了仿 真验证。仿真原理图如图2在DCDC开关电源的 应用中，输出负载端外接电容能起到滤波、抑制干 扰的作用，在某些大容性负载动态跳变的设备中， 要求电源输出端有快速响应，这就要求开关电源有 较强的带容性负载的能力，并且有好的稳定性能。 传统的开关电源振荡频率是恒定不变的，而IR2156 却具有频率可调的高频启动过程，这一点使得基于 IR2156的开关电源具有带大电容负载的能力。 11期 史延东，等：D类功放开关电源的设计与实现 2485 vjn DSTM2
9、 图3 1112156及主电路的仿真原理图 2486 科学技术与工程 图3是在Orcad中构建的IR2156内部原理仿 真及半桥逆变仿真电路图，其中用理想开关模型s 代替了芯片内部实现开关功能的三极管。电路参 数设置如下：启动开关频率160 kHz，稳定工作开关 频率50 kHz，设定输出电压70 V，功率200 W，负载 电容40 000 txF，启动时问600 ms。 1000V 0V 1000V ，464V 0ms 1O0ms 200ms 300ms 400ms 500ms 图4 IR2156电流采样端仿真采样波形 从图4可以看出，和设想的一样，采样高频启动 的工作方式，在启动瞬间的冲击
10、电流并不是很大， 频率变动的过程中电流也随着上升但并没有超出 设计的保护值。 23实验结果及结论 在仿真的基础上，进行了实际硬件的调试，结 果基本与仿真一致，图5是电流采样电阻两端的波 形，图6是70 V输出电压建立的过程，建立过程中 第一个“台阶”，是由于前文提出的高频启动引出的 低电压启动。第二个“台阶”，是由于前级PFC采取 的是后供电的策略，导致的电压在PFC工作后进一 步升高。 一 M l O O “m s 一 图5电流采样波形图 Jilli镑 V_。 _ 广一蕊建 - _ 翌 曩篙蓦 一 。、 一l 5O0V Time 5000ms 图6 输出电压建立过程 3 PFC部分的设计与实
11、现 由于功放电源的容性负载，会给电网注入大量 的高次谐波，导致电网侧的功率因数很低，同时对 电网的其他电气设备造成严重的谐波污染和干 扰 。在电源的前级添加PFC电路可以大幅增加 功率因数，特别是有源PFC电路校正后的功率因数 接近于一。本文中采用的是基于IR公司的PFC专 用芯片IR1 150的有源PFC，下面将详细它的介绍设 计与实现。 31 IRll50的工作原理 IRI 150控制策略采用的是单周期控制技术，即 依据输入电流采样反馈信号和输出电压采样反馈 信号准确快速地调节每个开关周期的开通时间。 图7即是典型的单周期控制的BoostPFC电路，输出 电压反馈回来后经过PI调节器，再通
12、过带有复位开 关的积分电路，便形成上升斜率不同的锯齿波，与 电感电流采样信号比较，最后输出脉宽可调的PWM 波。在反馈的过程中，两种反馈信号分别作用在不 同方面，电压反馈信号决定了锯齿波的斜率，即决 定了PWM波占空比的一个基值，进而调节输出电 压使其稳定。电流反馈信号则对PWM占空比进行 了细调，以保证输入电流畸变时对波形的即时修 正，从而降低输入电流的总谐波失真度。 11期 史延东，等：D类功放开关电源的设计与实现 图7典型单周期Boost型PFC电路 32单周期控制技术分析 无论采用任何的控制策略，PFC最终的目的是 要实现输人电流， 与输入电压 同相位并对应成 比例，即 VlN=IiN
13、RlN (1) 样电阻0075 Q，电压采样电阻12 k1)，输出滤波电容 300 p,F，输出功率400 W。仿真结果见图8和图9。 500V 400V 300V 200V lO0V 图8输入电压及电流仿真波形 图9 PFC输出电压仿真波形 =Vo (1一口) (2) 34实验结果及结论 合并式(1)与式(2)可得： ，INRIN=VouT(1一D) (3) 式(3)两边同乘以输入电流采样电阻尺 ，可得： ： ：Vs(1_D)(4) 式(4)中 是电流采样电压值。 如果输出电容足够大，那么 可认为是在一个周期 内恒定的，对上式两边同时积分，可得： 1 Rs， = 一寺J0 DVs(t)dt
14、(5) 由式(5)便可以构造出OCC的控制方程： 1 rDT VsRs， w 寺J0 Vs(t)dt (6) 只需要比较等式两端就可以得到所需的占空比，也 因此得出了图7所示的反馈控制环节。 33基于IRllS0的PFC仿真 同样使用Orcad仿真软件，仿真电路主要参数 如下：Boost电感13 mH，开关频率50 kHz，电流采 实际硬件电路的各项参数与仿真中的参数相 近。实验结果与仿真结果也基本吻合。输入电流 波形如图10所示，功率因数达到099。总谐波失 真度小于1。 CH1 5vdiv 图10 4结论 Time 5 msdiv 输入电流波形 本文设计了一种应用于D类功放的带有PFC (
15、下转第2491页) 11期 邱景辉，等：一种短波天线小型化设计方案 2491 A Method for Miniaturization of Shortwave Antenna QIU Jinghui，Lt)Yanming，LI Gaofei (School of Electronics and Information Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，PRChina) Abstract A method for miniaturization of shortwave antennas is proposedA
16、miniaturized shortwave antenna which works at the band of 3l5 MHz，based on dipole antenna，with toplumped components compound loading structure is designed，then combined multiheical structure is chosen for optimizingThe antenna has got a size scope of 2 m2 m2 mSimulated by the commercial software Mic
17、rowave Studioof CST Corporationthe total efficiency of the antenna is above一20 dB in the whole 315 MHz bandThis antenna has got the advantages of small size，simple structure and high efficiency and SO onIt is applicable in the fields of broadcasting，environ ment monitoring，radar detecting and SO on
18、Key words miniaturization shortwave antenna loading helical structure (上接第2487页) 的半桥式开关电源，重点针对功放开关电源输出滤 波电容大的特点，设计了变频启动的工作方式，较 普通电源有输出电压纹波小，输出电压建立时间短 等诸多优点。 参考文献 1周虎开关功放电源的研究成都：西南交通大学研究生学位 论文，2007 2陈熹，李 明新型电子镇流器控制芯片电源技术应用 2002；5(8)：39640o 3 王玉峰，肖永江单相BOOST功率因数校正主电路模型的建立 电气传动自动化2002；24(1)：3436 4朱锋，龚春英
19、单周期控制Boost PFC变换器分析与设计电 力电子技术，2007；41(1)：10o一102 5张占松，蔡宣三开关电源的原理及设计北京：电子工业出版 社1998 Design and Implement of Class D Power Amplifier SMPS for Super Capacitor SHI Yandong，WANG Boyang ，NING Fei (Northwestern Polytechnical University，xian，710072，PRChina) Abstract A SMPS(Switch Mode Power Supply)for drivi
20、ng super capacitor with frequency-alterable startup is presented，Meanwhile a power factor correction located ahead of SMPS iS also presentedIn addition to direct the design of hardware bettersimulation for PFC and Power Amplifier based on Pspice Model has been takenThe re- suh of simulation and experiment show that the SMPS presented is capable to drive capacitive load，the power factor is approximate to 1 and THD is bellow 3 Key words SMPS for power amplifier super capacitive load PFC Pspice
