D類(lèi)音頻放大器設計的程控交流電源技術(shù)

系統結構與控制原理
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(shí)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變?yōu)榻涣麟妷?，再?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(diǎn)是高頻臂的兩只功率管以較高的開(kāi)關(guān)頻率互補開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗。該全橋逆變器并不是一個(gè)橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個(gè)橋臂始終為高頻（載波頻率)，而是以半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂前半個(gè)周期工作在低頻，后半周則工作在高頻，這樣就保證兩個(gè)橋臂功率管工作在均衡狀態(tài)，提高了系統的可靠性。雖然該電路效率較高，但需要解決輸入/輸出之間的隔離問(wèn)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(shí)，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，兩邊的電路結構和參數完全相同，右邊的集成電路由左邊的集成電路通過(guò)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(guò)電壓而損壞器件。電路的放大倍數可由輸出端至反相輸入端的反饋電阻來(lái)決定。A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)等功放均是線(xiàn)性功放，信號總是停留在放大區，輸出晶體管擔當線(xiàn)性調整器來(lái)調整輸出電壓，其結果是降低了效率，限制了輸出功率。

圖2 LM1875的BTL接法

本設計采用D類(lèi)音頻放大器構成程控交流電源，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結構框圖，并且給出了每級的波形。其主電路由D類(lèi)音頻放大器+半橋和LC濾波器組成。

圖3 D類(lèi)音頻放大器基本構成圖

值得注意的是，半橋D類(lèi)音頻放大器因為能量可以雙向流動(dòng)而導致“母線(xiàn)電壓提升”，這樣會(huì )造成母線(xiàn)電容被充電。在半橋拓撲中，電源面臨從功放返回來(lái)的能量而導致嚴重的母線(xiàn)電壓波動(dòng)或損壞，尤其是當功放輸出低頻信號到負載時(shí)。D類(lèi)放大器區別于同步降壓轉換器的是，其參考信號是一個(gè)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(gè)MOSFET作用相同。

主回路設計
采用國際整流器公司(IR) D類(lèi)音頻放大器的IRS2092，將誤差放大器、PWM比較器、柵極驅動(dòng)級電路和過(guò)載保護功能結合到一起，與IRS20955相比較具有很大的設計靈活性。用±100V供電時(shí)，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(gè)脈寬調制器、兩個(gè)輸出MOSFET和一個(gè)用于恢復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(gè)低頻升壓變壓器。音頻輸入信號與內部振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)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(méi)有輸入信號時(shí)，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

使用D類(lèi)音頻放大器IRS2092的BTL接法，一個(gè)全橋使用兩個(gè)半橋輸出級，并以差分方式驅動(dòng)負載。全橋結構是通過(guò)轉換負載的導通路徑來(lái)工作的，因此負載電流可以雙向流動(dòng)，無(wú)須負電源或隔直電容。在相同電源電壓下，理論上提供的最大輸出功率是半橋式放大器的4倍。它可以推廣應用到更高輸出功率的AC/AC轉換電源。

關(guān)鍵技術(shù)設計
程控交流電源要求0～5V程控直流電平輸入對應AC 0～500V（有效值）輸出。通過(guò)改變D類(lèi)音頻放大器的正弦波輸入的幅度即可實(shí)現最大500V正弦波對應輸出。但是，首先需要解決0～5V程控直流電平如何轉換成D類(lèi)音頻放大器的正弦波輸入的問(wèn)題。

CD4051是8通道數字控制模擬開(kāi)關(guān)，有三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端A、B、C和INH輸入，相當于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼A、B、C來(lái)決定。INH是禁止端，當INH=1時(shí)，各通道均不接通。此外，CD4051還設有一個(gè)電源端VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得在單電源供電條件下CMOS電路所提供的數字信號能直接控制這種多路開(kāi)關(guān)，并使這種多路開(kāi)關(guān)可傳輸峰峰值達15V的交流信號。例如，若模擬開(kāi)關(guān)的供電電源VDD=+5V，VSS=0V，當VEE=-5V時(shí)，只要對此模擬開(kāi)關(guān)施加0～5V的數字控制信號，就可控制幅度范圍為-5V～+5V的模擬信號。

圖5 PWM輸出波形

設計時(shí)，首先要考慮到如何產(chǎn)生固定幅度的正弦波基準信號以作為CD4051的模擬量輸入。產(chǎn)生正弦波基準信號的方案有多種，可由文氏振蕩器獲得良好的正弦波形，也可先由比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，再由差分放大器或采用低通濾波器的方法，實(shí)現三角波到正弦波的變換。

其次是高精度的正弦波基準信號的程控，最簡(jiǎn)單方法是使用微處理器進(jìn)行12通道的A/D轉換，用這12通道去控制CD4051的輸入端A、B、C（INH=0時(shí)），即產(chǎn)生212=4096個(gè)狀態(tài)。如圖6所示，開(kāi)關(guān)D1～D3控制模擬量低位，D4控制高位。通過(guò)合理計算R1a～R9d，0～4096個(gè)狀態(tài)對應0～5V程控直流電平輸入。需要注意的是，第4096狀態(tài)產(chǎn)生的條件是12通道都為0時(shí)而第4個(gè)CD4051的INH=1時(shí)，它輸出正弦波模擬量最大值。

圖6 正弦波基準信號的程控圖

圖7 正弦電壓輸出波形

實(shí)驗結果
采用上述主電路結構和控制方式研制了一臺0～5V直流電平輸入對應0～500V（有效值）AC輸出的程控電源樣機，固定頻率50Hz，輸出電流5mA，線(xiàn)性度≤1%，響應時(shí)間≤50ms，輸出過(guò)流保護。5V程控正弦電壓輸出波形如圖7所示，較好地滿(mǎn)足了電纜測試儀程控電源的要求。