PWM調(diào)制技術(shù)在D類功率放大器中的應(yīng)用研究

1.引言

音頻功率放大器主要?dú)w結(jié)為四大類：

Class A、Class B、Class AB、Class D.

CLASS A是一種完全的線性放大形式的放大器。采用單個(gè)晶體管放大，發(fā)熱大效率低，但失真率極低。Class B也被稱為線性放大器，使用兩個(gè)晶體管對(duì)正負(fù)信號(hào)進(jìn)行線性放大，無(wú)信號(hào)時(shí)正負(fù)通道處于關(guān)閉的狀態(tài)，即無(wú)功率損失，易產(chǎn)生跨越失真。Class AB兼具A類與B類功放的優(yōu)勢(shì)的一種設(shè)計(jì)。與B類相同的是采用兩個(gè)晶體管放大正負(fù)信號(hào)，不同的則是在兩者交越處附近使得兩個(gè)晶體管均有微弱導(dǎo)通以克服B類功放的交越失真。

因此AB類具備B類效率的同時(shí)，失真度很接近A類功放。而D類功放與其他功放類型有著完全不同的工作原理，它采用高速開(kāi)關(guān)管對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。由于開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗極小，效率通?？蛇_(dá)到90%以上，而且體積和重量方面也極具優(yōu)勢(shì)。近些年，隨著開(kāi)關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展以及環(huán)保節(jié)能成為全球的主基調(diào)，D類功放越來(lái)越流行，并迅速成為功率放大器的主流類型。其中關(guān)于如何進(jìn)一步提高D類功放的效率以及D類功放的性能也成為廣大工程技術(shù)人員的方向和目標(biāo)。而其中PWM調(diào)制技術(shù)也就孕育而生。

2.D類功放

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

D類功放主要分為半橋、半橋并聯(lián)、全橋、全橋并聯(lián)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

D類功放系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)可以分為：信號(hào)處理部分、脈寬調(diào)制部分、驅(qū)動(dòng)部分、功率輸出部分（見(jiàn)圖1-2）。信號(hào)處理部分進(jìn)行噪聲濾除和增益調(diào)節(jié)，有些內(nèi)置音效的功率放大器，會(huì)在該部分加入音效處理。脈寬調(diào)制部分負(fù)責(zé)將模擬音頻信號(hào)調(diào)制成PWM信號(hào)。PWM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路和功率輸出部分，放大PWM信號(hào)并通過(guò)LC低通濾波獲得所需的模擬放大信號(hào)用以推動(dòng)喇叭發(fā)出聲音。

PWM信號(hào)直接關(guān)系到模擬放大部分的失真度。在其它部分相同的情況下，采用不同的調(diào)制方式有著不同的結(jié)果，而相同的調(diào)制方式在不同的調(diào)制參數(shù)下結(jié)果也不盡相同。

3.PWM調(diào)制類型

PWM技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟。通過(guò)對(duì)PWM部分進(jìn)行改進(jìn)，也衍生了較多的所謂E類G類T類功放。而就基本原理而言，他們?nèi)匀粚儆贒類功放。定頻脈寬調(diào)節(jié)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在過(guò)去的D類功放產(chǎn)品中占據(jù)了主要地位，特別是中小功率的D類功放中尤為常見(jiàn)。帶反饋的自激式脈寬調(diào)制則多在500瓦甚至更高的功率上使用。

3.1 定頻脈寬調(diào)制

3.1.1 基本原理

定頻調(diào)制的基本原理是：采用三角波作為載波，將被放大信號(hào)一同輸入比較器進(jìn)行比較，得到寬窄不一但周期一致的脈沖波形（見(jiàn)圖1-1）。此種波形在頻譜中含有大量的信號(hào)頻譜成分，通過(guò)適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器便可還原成原始信號(hào)波形。圖2-1中給出了雙極性SPWM調(diào)制的時(shí)序波形。

3.1.2 應(yīng)用分析

在定頻PWM調(diào)制中，采用開(kāi)環(huán)方式最多。由于輸出信號(hào)沒(méi)有參與PWM調(diào)制，該類功放產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，調(diào)試也較為方便。

但是所帶來(lái)缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：由于沒(méi)有帶反饋，系統(tǒng)較容易被干擾到，特別是電源的波動(dòng)，嚴(yán)重的制約著這類功放的性能。保證足夠穩(wěn)定的電源也是該類功放獲取良好性能的必備條件。但是由于頻率固定在大功率輸出時(shí)，對(duì)于功率輸出開(kāi)關(guān)管提出了更高的要求。在EMC方面也顯現(xiàn)出來(lái)不足：在輸出開(kāi)關(guān)噪聲的功率譜中，也較為集中在載波頻率的奇次諧波當(dāng)中。

3.1.3 改善與發(fā)展

閉環(huán)定頻調(diào)制則是開(kāi)環(huán)定頻調(diào)制的改良版本。通過(guò)引入負(fù)反饋，可以降低功放對(duì)于電源的依賴。由于引入負(fù)反饋，電源在一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，并不會(huì)引起功放輸出波形的變化。在一定程度上克服開(kāi)環(huán)定頻調(diào)制的缺陷，提高了系統(tǒng)的失真度指標(biāo)。但是在大功率輸出和EMC方面仍然沒(méi)有任何的改善。

加入負(fù)反饋進(jìn)行調(diào)制在一定程度上可以提高THD方面的指標(biāo)，但是依然不能改善EMC問(wèn)題以及解決大功率問(wèn)題。

3.2 閉環(huán)變頻自激脈寬調(diào)制

3.2.1 基本原理

變頻自激調(diào)制的基本原理是：利用負(fù)反饋系統(tǒng)輸出信號(hào)跟隨輸入信號(hào)的原理，通過(guò)積分延遲以及比較器整形輸出近似PWM波形。此種方式輸出的PWM波形隨著輸入信號(hào)的變化，占空比在變化的同時(shí)輸入周期也在變化。由于在大信號(hào)積分過(guò)程需要更多的時(shí)間用以抵消誤差，積分周期的延長(zhǎng)導(dǎo)致PWM頻率變低。

3.2.2 應(yīng)用分析

單閉環(huán)變頻自激調(diào)制，使用反饋環(huán)路結(jié)合運(yùn)算放大器和比較器通過(guò)系統(tǒng)閉環(huán)自激的方式產(chǎn)生P W M波形，該方式由于P W M信號(hào)波形是由自激產(chǎn)生，省去了PWM控制器。而負(fù)反饋參與PWM調(diào)制，使得它有著先天的高保真優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于信號(hào)不斷加大，反饋深度的加強(qiáng)，載波頻率不斷走低，降低了開(kāi)關(guān)頻率。相對(duì)于定頻PWM而言，而隨著開(kāi)關(guān)頻率的降低也促使開(kāi)關(guān)損耗降低。在輸出同樣功率的前提下，此種PWM調(diào)制模式可以降低對(duì)MOSFET和散熱器的要求，同時(shí)成本也得到了很好的控制。

因此，該調(diào)制模式在大功率（300W）以上的功放產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。由于輸出波形為交流信號(hào)，隨著波形起伏，載波頻率隨之變化，載波頻率將在一個(gè)較大的范圍（如：200-400kHz）內(nèi)波動(dòng)，EMC的噪聲頻率將會(huì)較均勻的分布在一定區(qū)域內(nèi)。因此EMC方面的問(wèn)題也得到一定的改善。閉環(huán)反饋信號(hào)可以從LC濾波之前反饋，也可從負(fù)載喇叭端反饋。前者系統(tǒng)較為穩(wěn)定，失真度稍遜。后者在負(fù)載有較大變化時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由于反饋信號(hào)為喇叭端，所以LC的非線性失真能夠得到很好的抑制，因此失真度方面較有優(yōu)勢(shì)。

3.2.3 改善與發(fā)展

隨著變頻自激調(diào)制方式的運(yùn)用越來(lái)越多，相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)也得到了發(fā)展。比較簡(jiǎn)單的如：積分環(huán)節(jié)使用二階積分電路。復(fù)雜的則是雙閉環(huán)是雙閉環(huán)的引入：既在LC濾波前反饋，又包含喇叭端的反饋。使用雙反饋的目的可以帶來(lái)穩(wěn)定性和保真度方面的雙重好處。目前在少數(shù)發(fā)燒級(jí)功放產(chǎn)品上有應(yīng)用。當(dāng)然雙反饋對(duì)于參數(shù)的依賴和器件的模型化要求較高，各方面的精確性均會(huì)影響到實(shí)際效果。此種應(yīng)用一旦被工程技術(shù)人員廣泛掌握，D類功放的性能也將全面得到提升。

4.系統(tǒng)仿真

仿真采用MATLAB進(jìn)行仿真。基本仿真環(huán)境為：電源電壓為+/-160V，負(fù)載阻抗40ohm;5000Hz音頻信號(hào);調(diào)制載波頻率為200k-400kHz.濾波電感為60uH，濾波電容為0.2uF.主要測(cè)試指標(biāo)為T(mén)HD.

4.1 定頻脈寬調(diào)試仿真

4.1.1 基于200kHz載波下的仿真結(jié)果及200kHz載波作為仿真分析案例

未加A記權(quán)情況下THD達(dá)到10%，該指標(biāo)只能滿足入門(mén)級(jí)功放的標(biāo)準(zhǔn)。該圖3-2中的黃色部分波形線條上載波明顯且幅度較高。圖3-3中200kHz位置能量譜較高且集中，僅低過(guò)信號(hào)波形30dB.EMC方面具備較多的問(wèn)題。

4.1.2 基于200kHz載波下的仿真結(jié)果及分析

400kHz載波作為仿真分析案例，未加A記權(quán)情況下THD達(dá)到2.8%，該指標(biāo)能夠滿足多數(shù)家庭功放的使用要求，但仍然不能應(yīng)用于專業(yè)功放。載波峰值低于信號(hào)幅度40dB.

提高載波頻率后無(wú)論是在失真方面還是在EMC方面均有較高幅度的改善。由此可以判斷：使用更高頻率的載波將會(huì)進(jìn)一步提高功放性能。然而高頻率的載波需要更高快速的器件，在現(xiàn)有技術(shù)情況下將會(huì)遭遇成本大幅提升的問(wèn)題，且大功率的高速器件更是難以做大。

4.2 閉環(huán)自激變頻脈寬調(diào)制

比較器延遲不能高于30ns.空載400kHz載波，滿載200kHz時(shí)的仿真結(jié)果：

閉環(huán)自激調(diào)制模式下，頻率范圍在200-400kHz間移動(dòng)，未加A計(jì)權(quán)條件下THD達(dá)到了0.7%.在實(shí)際應(yīng)用中加入A計(jì)權(quán)，THD可低于0.1%，即可滿足專業(yè)級(jí)HIFI功放的要求。載波頻譜分?jǐn)偟礁鱾€(gè)頻率段，幅度低于信號(hào)幅度55dB，效果較理想。

5.結(jié)論

定頻脈寬調(diào)制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小功率應(yīng)用成本低廉又可滿足多數(shù)普通用戶要求。自激變頻脈寬調(diào)制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在性能方面尤其大功率功放方面具備較高優(yōu)勢(shì)。根據(jù)用戶需求和應(yīng)用領(lǐng)域，選擇最適合的，才是科技和應(yīng)用的最佳結(jié)合點(diǎn)。

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