基于D類功放的寬范圍可調(diào)開關電源的設計

摘要：結合PWM開關電源的原理對D類功放的工作原理進行了分析，提出了在D類功放基礎上構建PWM正負可調(diào)開關電源的方法，并在成品D類功放器件基礎上，成功地實現(xiàn)了經(jīng)濟實用的開關電源。

關鍵詞：D類功放；PWM開關電源；反饋；穩(wěn)壓

0 引言

很多電子設備的開發(fā)研制過程中，都需要各種各樣的實驗與測試用通用穩(wěn)壓電源。這一類電源要求有較寬的調(diào)節(jié)范圍、一定的輸出功率以及完善的保護功能。以往的實驗與測試用電源，為了實現(xiàn)輸出的寬范圍調(diào)節(jié)，大多使用基于模擬串、并聯(lián)電路的穩(wěn)壓方式，其效率低下已是人們的共識。PWM脈寬調(diào)制開關電源的出現(xiàn)，大大提高了電源的效率，可是，現(xiàn)在的PWM開關電源的運用，大多局限在成品電器設備的固定電壓的輸出模式，其電壓可調(diào)范圍十分有限，而開關電源在通用電源的寬范圍可調(diào)應用上并不普遍，特別是在對稱的正負范圍輸出的可調(diào)應用上，即使有這樣的產(chǎn)品其價格也相對較高。

作者結合PWM開關電源的原理對D類功放的工作原理進行了分析，認為利用D類功放可以在較為經(jīng)濟的條件下，方便地實現(xiàn)寬范圍可調(diào)的PWM開關電源。

1 D類功率放大器的工作原理

如圖1所示，D類音頻功率放大器由兩部分構成。第一部分是輸入比較和PWM信號形成電路，該電路中的三角波發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率和幅度的三角波信號作為脈寬調(diào)制的比較標準，通過比較器和輸入的音頻信號進行比較后輸出PWM信號，該信號的脈寬是隨著音頻信號幅度的變化而成正比例地變化。放大器中的三角波、音頻正弦信號產(chǎn)生的PWM波形及關系如圖2所示。第二部分是H橋脈寬功率放大電路和輸出大功率濾波電路，如圖3所示。

圖1 D類功放原理框圖

圖2 放大器中的三角波、音頻正弦信號產(chǎn)生的PWM波形及其相互關系

圖3 大功率輸出部分（H橋和濾波電路）

第一部分電路得到的PWM信號經(jīng)過整形放大，驅(qū)動H橋中與高壓大功率電源相連的的4只大功率CMOS開關管輪流導通，控制末級電源向負載提供的電流，從而獲得大功率的PWM信號，該信號再經(jīng)過負載前的LC濾波器，利用電感電容的充放電效應在負載上獲得大功率的音頻信號。D類功放中H橋輸出的穩(wěn)定程度，決定于給H橋供電電源的穩(wěn)定性，故在D類功放末級必須使用穩(wěn)壓電源。

2 在D類功率放大器原理基礎上實現(xiàn)PWM調(diào)制開關電源的設計思路

從上面分析D類功率放大器的工作原理可以得出下述幾點推理。

1）當在音頻輸入端送入的信號是一個固定的直流電壓值時，將在功放的輸出端得到一個固定的電壓輸出值。與音頻功放的情況不同，是從不穩(wěn)定的大功率電源獲得穩(wěn)定的電壓輸出，即在H橋上連接的不是已經(jīng)穩(wěn)壓的電源，而是僅僅經(jīng)過簡單整流濾波的非穩(wěn)壓電源。在輸入信號足夠穩(wěn)定的情況下，輸出電壓的相對穩(wěn)定要依靠輸出和輸入之間構建合適的反饋回路來實現(xiàn)。

2）當在輸出端接上一個電位器調(diào)節(jié)放大器的輸入信號在一個正負范圍內(nèi)發(fā)生變化時，放大器的輸出也在給H橋供電的電源的正負幅值之間發(fā)生著變化，輸入的一個很小的變化就可以在輸出獲得較大的從負到正的電壓調(diào)整范圍，故實現(xiàn)寬范圍正負電壓輸出調(diào)節(jié)也是可能的。

3）由于電源設計是基于D類功放的，是工作在PWM的方式下，與PWM開關電源有相同的能量利用效率。

基于上述思路，設計出電路的原理框圖如圖4所示。

圖4 D類功放開關電源框圖