基于D類音頻放大器的程控交流電源的設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理
升壓+全橋逆變器和輸出LC濾波器是大功率程控交流電源極為常用的拓撲之一。如圖1所示，這是一種兩級非隔離拓撲，其第一級是升壓級，用于把模塊整流電壓升壓到實際峰值直流電壓（＞325V）；第二級是逆變級，用于把峰值直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/交流">交流電壓，再經(jīng)LC濾波器得到50Hz的交流輸出電壓。全橋逆變器一般采用單極性控制方式，其特點是高頻臂的兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補開關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓波形；另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而很大程度上減小了開關(guān)損耗。該全橋逆變器并不是一個橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個橋臂始終為高頻（載波頻率)，而是以半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂前半個周期工作在低頻，后半周則工作在高頻，這樣就保證兩個橋臂功率管工作在均衡狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性。雖然該電路效率較高，但需要解決輸入/輸出之間的隔離問題。由于電纜測試儀的程控交流電源功率較小，若采用上述方案，則體積較大，且控制復(fù)雜。

圖1 升壓+全橋逆變器

若采用諸如LM1875單片集成功率放大器件，用±30V供電時，最大輸出功率可達30W。其接法同TDA2030相似，有單雙電源接法和BTL接法。BTL接法采用兩片LM1875，連接成橋式電路，兩邊的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同，右邊的集成電路由左邊的集成電路通過一負反饋電阻控制，反之亦然。它可獲得更高的輸出功率。如圖2所示，二極管1N4007用于防止輸出感性負載產(chǎn)生過電壓而損壞器件。電路的放大倍數(shù)可由輸出端至反相輸入端的反饋電阻來決定。A類、B類、AB類等功放均是線性功放，信號總是停留在放大區(qū)，輸出晶體管擔當線性調(diào)整器來調(diào)整輸出電壓，其結(jié)果是降低了效率，限制了輸出功率。

圖2 LM1875的BTL接法

本設(shè)計采用D類音頻放大器構(gòu)成程控交流電源，只需對音頻放大器的輸入幅度控制就可以得到高純度正弦交流電壓。圖3給出了所研制的程控交流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并且給出了每級的波形。其主電路由D類音頻放大器+半橋和LC濾波器組成。

圖3 D類音頻放大器基本構(gòu)成圖

值得注意的是，半橋D類音頻放大器因為能量可以雙向流動而導(dǎo)致“母線電壓提升”，這樣會造成母線電容被充電。在半橋拓撲中，電源面臨從功放返回來的能量而導(dǎo)致嚴重的母線電壓波動或損壞，尤其是當功放輸出低頻信號到負載時。D類放大器區(qū)別于同步降壓轉(zhuǎn)換器的是，其參考信號是一個不斷變化的音頻信號，占空比圍繞50%不斷變化，電感電流雙向，兩個MOSFET作用相同。

主回路設(shè)計
采用國際整流器公司(IR) D類音頻放大器的IRS2092，將誤差放大器、PWM比較器、柵極驅(qū)動級電路和過載保護功能結(jié)合到一起，與IRS20955相比較具有很大的設(shè)計靈活性。用±100V供電時，最大輸出功率可達500W，工作頻率高達800kHz。如圖4所示，它包括一個脈寬調(diào)制器、兩個輸出MOSFET和一個用于恢復(fù)被放大的音頻信號的低通濾波器。由于輸出500V正弦波有效值，輸出端有一個低頻升壓變壓器。音頻輸入信號與內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的三角波進行比較后，得到PWM信號，方波的占空比與輸入信號電平成正比。沒有輸入信號時，輸出波形的占空比為50%。圖5顯示了不同輸入信號電平下所產(chǎn)生的PWM輸出波形。

圖4 程控交流電源主電路