大功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

大功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)摘要電源是設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源必須綜合考慮成本、解決方案、尺寸、電源大小與所需輸出功率等因素，在使用開(kāi)關(guān)電源的過(guò)程中要運(yùn)用正確的方法并注意安全。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定的輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化是開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。通過(guò)比較電壓控制型和電流控制型PWM控制芯片的控制模式，針對(duì)寬輸入，多路輸出的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出了基于電流控制型PWM控制芯片UC3846、UC3842的兩級(jí)變換器的組合式開(kāi)關(guān)電源。第一級(jí)采用BUCK變換，第二級(jí)采用半橋推挽式變換器。關(guān)鍵詞電流脈寬調(diào)制；降壓式；推挽式；多路輸出；設(shè)計(jì)。ABSTRACTTHEPOWERSUPPLYISTHEFOUNDATIONOFTHEELECTRICCIRCUITDESIGNTHESWITCHPOWERSUPPLYSHOULDBECONSIDEREDTHECOST,SOLUTION,SIZE,VALUE,POWERANDSOONINTHEDESIGNSWITCHINGPOWERSUPPLYISTHEUSEOFMODERNPOWERELECTRONICTECHNOLOGY，OPENINGOFCONTROLSWITCHTRANSISTORTURNOFFTIMEANDTHERATIOOFTHEOUTPUTVOLTAGETOMAINTAINASTABEPOWERSUPPLYHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYISTHEDIRECTIONOFITSDEVELOPMENT，HIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWEROFMINIATURIZATION，ANDSWITCHINGPOWERSUPPLYTOENTERAWIDERRANGEOFAPPLICATIONAREAS，ESPECIALLYINTHEHIGHTECHFIELDS，ANDPROMOTETHEMINIATURIZATIONOFHIGHTECHPRODUCTS，LIGHTOFBASEDONTOPOLOGYANDCONTROLAVARIETYOFTECHNICALMATURITY，ELECTRICALPERFORMANCE，ASWELLASCOMPARATIVEINDICATORSOFCOST，THROUGHTHEUNDERSTANDING，COMPARISONANDCURRENTCONTROLLEDVOLTAGECONTROLLEDPWMCONTROLMODETOCONTROLCHIPFORWIDEINPUT，MULTICHANNELOUTPUTOFTHEDESIGNREQUIREMENTSDESIGNEDBASEDONTHECURRENTCONTROLLEDPWMCONTROLCHIPUC3864，UC3842LEVELSOFTHEMODULARCONVERTERSWITCHINGPOWERSUPPLYBUCKTHEINTRODUCTIONOFTHEFIRSTTRANSFORMATION，THEUSEOFTWOPUSHPULLHALFBRIDGECONVERTERKEYWORDSCURRENTPWMBUCKPUSHPULLMULTIOUTPUTDESIGN目錄摘要IABSTRACTII目錄III緒論1第1章音頻功率放大器的基礎(chǔ)知識(shí)311聲音的基本特性312音頻功率放大器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)313音頻功率放大器的技術(shù)指標(biāo)3131額定功率3132頻率響應(yīng)3133輸入靈敏度3134噪聲電壓414放大器的種類(lèi)4141A類(lèi)放大器4142B類(lèi)放大器4143C類(lèi)功率放大器5144D類(lèi)功率放大器6第2章D類(lèi)放大器的設(shè)計(jì)721一般D類(lèi)功率放大器的組成情況和分類(lèi)722各單元電路的作用介紹8221前置放大器8222脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路8223三角波發(fā)生器8224驅(qū)動(dòng)控制電路8225H橋式功率放大電路（功率輸出電路）8226輸出低通濾波器9227負(fù)反饋電路9228電平指示電路10229音頻功率放大器的供電電源1023部分電路結(jié)構(gòu)概念10231死區(qū)校正和全橋驅(qū)動(dòng)10232自舉11233全橋結(jié)構(gòu)11第3章D類(lèi)功率放大器的單元電路設(shè)計(jì)1331前置放大電路1332三角波產(chǎn)生電路1433脈沖調(diào)制電路1534驅(qū)動(dòng)控制電路如下圖所示1735功率輸出電路1736濾波器電路1837電平指示電路（音量顯示電路）1938供電電源電路20381非調(diào)整電源20382線形調(diào)整電源21383開(kāi)關(guān)模式電源21第4章D類(lèi)音頻功率放大器的整體電路結(jié)構(gòu)24結(jié)論26致謝27參考文獻(xiàn)28附錄一29附錄二30緒論開(kāi)關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從70年代開(kāi)始，高效的開(kāi)關(guān)電源飛速發(fā)展，逐步替代傳統(tǒng)的線性電源，開(kāi)關(guān)電源不需要較大的散熱器，并用輕量高頻變壓器替代笨重的工頻變壓器。輸出輸入之間需要采用高頻變壓器隔離。高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，是各種大功率開(kāi)關(guān)電源（逆變焊機(jī)、通信電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等）的核心技術(shù)。高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)是1、高頻化，由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來(lái)采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，帶來(lái)顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟(jì)效益。2、模塊化，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過(guò)增加相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)功率很小的冗余電源模塊，極大地提高系統(tǒng)可靠性，即使萬(wàn)一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供充分的時(shí)間。電力電子及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會(huì)開(kāi)拓更多更新的引用領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源高頻化、模塊化等的實(shí)現(xiàn)，將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟，實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。目前，各國(guó)正在努力開(kāi)發(fā)新器件、新材料以及改進(jìn)生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步提高效率、縮小體積、降低成本，以解決開(kāi)關(guān)電源面臨的新課題。設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源首先要考慮的事選用合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇與電源各個(gè)組成部分的布置有關(guān)，這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負(fù)載提供的最大功率密切相關(guān)。電源技術(shù)發(fā)展到今天，已融匯電子、功率集成、自動(dòng)控制、材料、傳感、算機(jī)、電磁兼容、熱工等諸多技術(shù)領(lǐng)域的精華，已從多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科成長(zhǎng)為獨(dú)樹(shù)一幟的功率電子學(xué)。開(kāi)關(guān)電源是一種采用開(kāi)關(guān)方式控制的直流穩(wěn)壓電源，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。它以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源形式。廣義地說(shuō)凡用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一形態(tài)的主電路都叫做開(kāi)關(guān)變換電路；轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)的稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源主要是用一個(gè)半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān)，使帶有濾波器的負(fù)載電路與直流電壓一會(huì)相接一會(huì)斷開(kāi)。主回路使用的元件是電子開(kāi)關(guān)、電感、電容。電子開(kāi)關(guān)只有快速地開(kāi)通、快速地關(guān)斷這兩種狀態(tài)，并且快速地進(jìn)行轉(zhuǎn)換；電感常為儲(chǔ)能元件，也常與電容共用在輸入輸出濾波器上，用于平滑電流；電容與電感一樣也是儲(chǔ)存電能和傳遞電能的元件，但對(duì)頻率的特性卻剛好相反，主要是“吸收”紋波，具有平滑電壓波形的作用。近年來(lái)，在高壓大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)電源作為一種高效好型、高性能的電源已廣泛用于家用電器、電子計(jì)算機(jī)、變頻器等電子設(shè)備中。采用開(kāi)關(guān)電源后，可以使相關(guān)裝置體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)壓范圍寬，大大地改善了裝置的控制可靠性及保護(hù)性能。第1章開(kāi)關(guān)電源11開(kāi)關(guān)電源的基本概念電源是將各種能源轉(zhuǎn)換成為用電設(shè)備所需電能的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動(dòng)力源泉。直流開(kāi)關(guān)電源是一種由占空比控制的開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置，用于交流直流或直流直流電能轉(zhuǎn)換，通常稱(chēng)其為開(kāi)關(guān)電源（SWITCHEDMODEPOWERSUPPLYSMPS）其功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)十千瓦，廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。彩色電視機(jī)、VCD播放機(jī)等家用電器、醫(yī)用X光機(jī)、CT機(jī)，各種計(jì)算機(jī)設(shè)備，工業(yè)用的電解、電鍍、充電、焊接、激光等裝置，以及飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、艦船中，都大量采用了開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高這幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大有取代線性電源和相控電源的趨勢(shì)。值得注意的是，開(kāi)關(guān)電源的輸出噪聲和紋波一般比線性電源大，所以在需要非常低的噪聲與紋波（如文波峰峰值要小于510MV）的情況下，仍需要線性電源，由于大功率全功率非常大1MW以上時(shí)，仍需采用相控電源。但隨著控制技術(shù)和元器件技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的各方面的性能都在不斷提高，容量也在不斷擴(kuò)大。12開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類(lèi)也越來(lái)越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。任何電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，他們對(duì)電源的要求也越來(lái)越高。20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開(kāi)發(fā)了開(kāi)關(guān)電源。20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開(kāi)關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備、家庭領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入快速發(fā)展期。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化。1小型、薄型、輕運(yùn)化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國(guó)外目前都在致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時(shí)采用SMT技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開(kāi)關(guān)電源的輕、小、薄。2高效率為了是開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄，高頻化（開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到兆赫茲）是必然發(fā)展趨勢(shì)。而高頻化又必然使傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)（屬硬開(kāi)關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、本電流關(guān)斷的軟開(kāi)發(fā)技術(shù)將成為開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品未來(lái)的主流。3高可靠開(kāi)關(guān)電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定電源的壽命。追求壽命的延長(zhǎng)要從設(shè)計(jì)方面著眼，而不是從使用方面著想。美國(guó)一公司通過(guò)降低給溫、減少器件的電應(yīng)力、降低運(yùn)行電流等措施使其DC/D開(kāi)關(guān)電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高。4低噪聲開(kāi)關(guān)電源的有一缺點(diǎn)就是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)，如很難準(zhǔn)確地控制開(kāi)關(guān)頻率、諧振時(shí)增大了器件負(fù)荷、場(chǎng)效應(yīng)管的寄生電容易引起適中損耗、元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)管等問(wèn)題難以解決。日本吧變壓器設(shè)計(jì)成初級(jí)分離阻燃密封，自身具備對(duì)體噪聲功能的模無(wú)噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲。5抗電磁干擾（EMI）當(dāng)開(kāi)關(guān)電源在高頻下開(kāi)關(guān)時(shí)，其噪聲通過(guò)電源線產(chǎn)生對(duì)其它電子設(shè)備的干擾，世界各國(guó)已有抗EMI的開(kāi)關(guān)電源日益顯形生要。6電源系統(tǒng)的管理和控制應(yīng)用微處理器或微機(jī)集中控制與管理，可以及時(shí)反映開(kāi)關(guān)電源環(huán)境的各種變化，中內(nèi)處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制，可自動(dòng)診斷故障、減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。7計(jì)算機(jī)輔助（CAD）利用計(jì)算機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)、穩(wěn)定性分析、電路仿真、印刷電路板、熱傳導(dǎo)分析、EMI分析以及可靠性等進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)，十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。13開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)從推動(dòng)功率管的方式來(lái)分可分為自激式和它激式；按開(kāi)關(guān)管的個(gè)數(shù)及連接方式可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式；按開(kāi)關(guān)管的連接方式，開(kāi)關(guān)電源分為串聯(lián)型與并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源。1自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖所示當(dāng)接入電源后在R1給開(kāi)關(guān)管VT1提供啟動(dòng)電流，使VT1開(kāi)始導(dǎo)通，其集電極電流IC在L1中線性增長(zhǎng)，在L2中感應(yīng)出使134噪聲電壓使輸入為零時(shí)，輸出負(fù)載上的電壓稱(chēng)為噪聲電壓。LR測(cè)量使輸入端對(duì)地短路，音量電位器為最大值，用示波器觀察輸出負(fù)載的LR電壓波形，用交流電壓表測(cè)量其有效值。14放大器的種類(lèi)功率放大器按照信號(hào)導(dǎo)通角，可分為A，B，C和AB類(lèi)四類(lèi)，其情況簡(jiǎn)述如下141A類(lèi)放大器我們省略電路的構(gòu)造直接從特性曲線來(lái)討論工作狀態(tài)，見(jiàn)圖11中左邊為晶體管輸入特性，固定置偏所形成的工作點(diǎn)在Q點(diǎn)，當(dāng)正弦音頻信號(hào)輸入時(shí)，其幅度未超出線形范圍，集電極工作狀態(tài)處于截止區(qū)和飽和點(diǎn)之內(nèi)，集電極電流為完整的全周導(dǎo)通的正弦波，此時(shí)導(dǎo)通角為180度，（導(dǎo)通角是以最小值至最大值之間占全周的部分來(lái)計(jì)算，全周導(dǎo)通時(shí)為180度）。這種放大狀態(tài)失真度較小，但是，當(dāng)無(wú)交流輸入時(shí)，有約一半幅度（Q點(diǎn)）的直流電流，其損耗為，故效率是最低的，低COVI于50，所以這種A類(lèi)功率放大器僅用于很小功率的收音機(jī)、助聽(tīng)器中，也可用于高級(jí)的HIFI功率放大器中。圖11A類(lèi)音頻功率放大器，在輸入信號(hào)最大時(shí)，為了晶體管不截止，而設(shè)定VB142B類(lèi)放大器如圖12所示，圖12B類(lèi)音頻功率放大器，晶體管截止極限設(shè)定VB靜態(tài)置偏為Q點(diǎn)，處于截止點(diǎn)上，因此信號(hào)輸入時(shí)，只有半周導(dǎo)通（導(dǎo)通角為90度）。集電極輸出半個(gè)正弦波。這種狀態(tài)失真度就很大了，所以一般B類(lèi)放大器都用雙管做成推挽式，每個(gè)管子工作半周構(gòu)成完整的正弦波以減少失真。B類(lèi)狀態(tài)的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)信號(hào)時(shí)原則上沒(méi)有直流電流，因而沒(méi)有直流功率損耗，效率超過(guò)50，但是由于曲線起始端的非線形，常將推挽放大器的兩管均少量正向置偏，其導(dǎo)通角大于半周，故效率不能做得很高達(dá)6070，工作介于A、B類(lèi)之間，故又稱(chēng)為AB類(lèi)功率放大器。其情況如圖13，14。圖13SEPP電路，（在一般的音頻功率放大器的輸出級(jí)經(jīng)常使用）圖14AB類(lèi)放大和B類(lèi)放大143C類(lèi)功率放大器情況如圖15所示圖15C類(lèi)放大，僅必要導(dǎo)通期間設(shè)定VB靜態(tài)置偏點(diǎn)在截止點(diǎn)之下，當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)只有超過(guò)偏置點(diǎn)部分的管子才能導(dǎo)通，效率更高，但由于失真過(guò)大，難用于音頻功放，一般多用于高頻功放做為陪頻器使用，集電極電流呈脈沖狀，諧波豐富，再用高Q電路調(diào)諧于二次諧波輸出完整波形的倍頻正弦波。144D類(lèi)功率放大器以上各類(lèi)放大器介紹可知，影響放大器效率的基本因素是無(wú)信號(hào)時(shí)的工作電流所形成的直流功率損耗。無(wú)信號(hào)時(shí)電流愈大則直流損耗越大，效率越低。為此，要提高效率則應(yīng)降低工作點(diǎn)，使無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，也沒(méi)有直流損耗。但是，信號(hào)導(dǎo)通角愈小波形的失真則愈大，輸出信號(hào)中諧波成分增加，這兩個(gè)要求是相矛盾的。所以如果輸入波形其他邊沿很陡峭，降低工作點(diǎn)對(duì)導(dǎo)通角影響很小，那么就可以做到失真率不大而效率又可以得到提高。波形陡峭的極端狀態(tài)時(shí)輸入信號(hào)為矩形波，這種波形，無(wú)論偏置如何變化，由于前后邊沿是垂直升降的，導(dǎo)通狀態(tài)都不會(huì)發(fā)生變化，這樣就誕生了工作于脈沖放大狀態(tài)的D類(lèi)功率放大器。D類(lèi)放大器工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)信號(hào)輸入時(shí)無(wú)電流，而導(dǎo)通時(shí)，沒(méi)有直流損耗。事實(shí)上由于關(guān)斷時(shí)器件尚有微小漏電流，而導(dǎo)通時(shí)器件并沒(méi)有完全短路，尚有一定的管壓降，故存在較少直流損耗，效率不能達(dá)到100，實(shí)際效率在8090，是實(shí)用放大器中效率最高的。正是由于D類(lèi)放大器的效率高，100瓦輸出的設(shè)備，直流功耗就十幾瓦，故散熱器就幾個(gè)平方厘米，連電路板都可以做的很小，大大減小了體積和重量。并且由于工作在比音頻高10余倍的脈沖狀態(tài)，電源整流紋波對(duì)電路工作影響會(huì)很小。第2章D類(lèi)放大器的設(shè)計(jì)當(dāng)前的電子器件傾向于便攜和小的尺寸，音頻功率放大器采用了D類(lèi)技術(shù)，D類(lèi)功率放大器由于它的高效率，理論上可以達(dá)到100，而受到關(guān)注。D類(lèi)放大器的輸出級(jí)是CMOS的功率晶體管組成，提供揚(yáng)聲器負(fù)載需要的大量的電流，這些晶體管工作在或者是截止?fàn)顟B(tài)，或者是線形區(qū)，而不是飽和區(qū)，由于晶體管只有工作在周期間的一小部分是激活的，減小了開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗，高的效率也因此成為可能，效率受D類(lèi)輸出級(jí)的晶體管的導(dǎo)通電阻（RON）影響。INPUTPREAMPPWMGAMERATORLPFSPEAKER圖21D類(lèi)功率放大器的框圖圖21是D類(lèi)功率放大器的簡(jiǎn)單框圖，D類(lèi)音頻功率放大器在工作方式上與產(chǎn)生控制PWM電壓信號(hào)的開(kāi)關(guān)電源相似。D類(lèi)功率放大器的工作過(guò)程是當(dāng)輸入模擬音頻信號(hào)時(shí)，模擬音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制器變成與其幅度相對(duì)應(yīng)脈寬的高頻率PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)脈沖推動(dòng)器驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大器工作，然后經(jīng)過(guò)功率低通濾波器帶動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。當(dāng)輸入PCM數(shù)字信號(hào)時(shí)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)PCMPWM轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)脈沖推動(dòng)器驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大器工作，然后經(jīng)低通功率濾波器帶動(dòng)揚(yáng)聲器工作。21一般D類(lèi)功率放大器的組成情況和分類(lèi)22所示為一般的D類(lèi)音頻功率放大器的組成情況，它主要是由PWM波產(chǎn)生電路、功率放大電路、濾波電路和負(fù)反饋電路四部分組成。圖22一般D類(lèi)功率放大器的總體結(jié)構(gòu)D類(lèi)音頻功率放大器根據(jù)開(kāi)關(guān)放大器的工作方式不同，又分為兩種類(lèi)型1電壓開(kāi)關(guān)型D類(lèi)功率放大器使放大器工作時(shí)，開(kāi)關(guān)上的電壓波形為方波。2電流開(kāi)關(guān)型D類(lèi)功率放大器使放大器工作時(shí)，開(kāi)關(guān)上的電流波形為方波。22各單元電路的作用介紹221前置放大器前置放大器是在功率放大器之前而加入的一級(jí)放大電路。其目的是對(duì)輸入的功率放大器的各種信號(hào)源進(jìn)行加工處理，或放大、或衰減、或進(jìn)行阻抗變換，使其和功率放大器的輸入靈敏度相匹配。對(duì)其要保證低噪聲、高信噪比、高轉(zhuǎn)換速率、輸出電阻要小及頻帶要寬等要求。為此在差分輸入對(duì)管要選用低噪聲優(yōu)質(zhì)的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，運(yùn)算放大器應(yīng)選用低噪聲、高速器件，電阻電容選用高精度、高穩(wěn)定度及高質(zhì)量元件。222脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路PWM調(diào)制器也稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制器。該電路的作用是把加在它的輸入端的模擬信號(hào)變成寬度或者占空比與輸入信號(hào)成正比的脈沖。它由三角波產(chǎn)生器有的公司生產(chǎn)的D類(lèi)功率放器中使用鋸齒波發(fā)生器、電壓比較器和驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)電路組成。三角波產(chǎn)生器是利用恒定電流對(duì)一個(gè)電容器的充電和放電而形成三角波。三角波的頻率就是D類(lèi)音頻功放的振蕩器頻率，它是固定的。223三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器電路采用遲滯過(guò)零比較器加反相積分器組成的典型電路結(jié)構(gòu)，為了保證三角波在高頻輸出信號(hào)下的線形度及PWM脈沖信號(hào)邊沿的陡峭度，運(yùn)算放大器及電壓比較器均采用高速的器件。224驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制電路的要求一是把PWM信號(hào)整形成前后沿更加陡峭的脈沖；二是能倒相形成PWM和兩個(gè)脈沖以滿足H橋功率開(kāi)關(guān)管的要求；三是為防PWM止同一橋臂上兩功率管直通，PWM和兩脈沖之間要有一定的死區(qū)時(shí)間；四是應(yīng)具有保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或短路時(shí)，應(yīng)封鎖PWM和脈沖信號(hào)輸出。PWM225H橋式功率放大電路（功率輸出電路）功率輸出電路一般我們采用H橋式功率放大器。H橋式功率放大器的簡(jiǎn)單電路圖如圖23所示。圖23H橋式功率放大電路典型圖H橋式功率放大器的任務(wù)就是把PWM信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)，即開(kāi)關(guān)式功率放大器就是一逆變器電路。對(duì)于逆變器的設(shè)計(jì)首先要選擇開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小的場(chǎng)效應(yīng)管；其次應(yīng)采用H橋式逆變電路，目的是使輸出電壓擺幅可以升高到接近于兩倍的電源電壓，增大功率放大器的最大不失真輸出功率；再者為了減少輸出電壓的非線性失真，逆變器的輸出端應(yīng)接入LC低通濾波器。226輸出低通濾波器功率輸出電路送到負(fù)載的信號(hào)是一串脈沖，脈沖的占空比和加在脈沖寬度調(diào)制器輸入端的模擬信號(hào)幅度成正比，但是脈沖包含的基頻和諧波是有害的，必須通過(guò)低通濾波器LOWPASSFILTER把基頻和諧波超高頻信號(hào)濾除，僅留調(diào)制音頻信號(hào)模擬信號(hào)的部分，用以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。所以在H橋功率放大器及負(fù)載之間加一個(gè)低通濾波器是必須的。如果沒(méi)有低通濾波器，在負(fù)載上的紋波電流會(huì)顯著地降低效率，并且會(huì)干擾其它電子設(shè)備。一種簡(jiǎn)單的LC低通濾波器如圖24所示圖24簡(jiǎn)單的LC低通濾波器該低通濾波器在負(fù)載阻抗為4時(shí)，L1L215H，C1C22F，負(fù)載阻抗增加時(shí)，C1，C2可適當(dāng)?shù)臏p小。227負(fù)反饋電路為了穩(wěn)定D類(lèi)音頻功率放大器的增益并優(yōu)化頻率特性，D類(lèi)音頻功率放大器通常設(shè)計(jì)有反饋放大器如圖25所示。圖25負(fù)反饋電路結(jié)構(gòu)228電平指示電路電平指示電路是性能比較優(yōu)良的收錄機(jī)，錄音機(jī)常有的電路。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電平指示電路如圖可見(jiàn)，信號(hào)由左端輸入，驅(qū)動(dòng)LED顯示。BT201CGND圖26簡(jiǎn)單的電平指示電路也可采用加了放大器的電平指示電路如圖27所示，由于加入了放大器，指示燈與負(fù)載隔離，同時(shí)提高了指示靈敏度。3DG12120RES210RES2LEDVCCGND10CAPGND圖27帶放大器的電平指示電路229音頻功率放大器的供電電源音頻功率放大器的供電問(wèn)題，大都采用50HZ交流電力網(wǎng)供給，然而其內(nèi)部的用電器件卻都采用直流供電。音頻功率放大器的供電電源，主要有三種類(lèi)型，即非調(diào)整電源、線性調(diào)整電源和開(kāi)關(guān)模式電源。在這三種類(lèi)型的電源中，非調(diào)整電源將是最有成本效益的選擇方案。23部分電路結(jié)構(gòu)概念231死區(qū)校正和全橋驅(qū)動(dòng)當(dāng)功率放大器采用的是直流全對(duì)稱(chēng)方式時(shí)，功率管直接跨接于電源兩端，任意時(shí)刻，功率管都不能同時(shí)導(dǎo)通，但由于功率管有個(gè)開(kāi)啟和關(guān)斷的過(guò)程，在過(guò)渡過(guò)程中，必然有一個(gè)瞬間，一個(gè)管子沒(méi)有完全關(guān)斷，另一個(gè)管子已經(jīng)開(kāi)始導(dǎo)通。此時(shí)，就有很大的電壓和電流加在兩個(gè)功率管上，功耗非常大，器件溫度升高很快，常常會(huì)燒壞管子，安全受到威脅，可靠性能降低。因此，必須進(jìn)行死區(qū)校正。死區(qū)校正其實(shí)質(zhì)就是在兩管子交替導(dǎo)通過(guò)渡期間加一段時(shí)間，在這段時(shí)間里，保證兩只管子都不導(dǎo)通，以保證一只管子在完全關(guān)斷后，另一只管子才開(kāi)啟，這樣就避免了開(kāi)關(guān)過(guò)程中大量的發(fā)熱和直接的危險(xiǎn)。232自舉要使功率NMOS晶體管保持開(kāi)關(guān)狀態(tài)，必須保持柵電壓始終大于其閾值電壓。當(dāng)功率管的上管導(dǎo)通后，如果柵電位不穩(wěn)定，不隨之升高，就會(huì)出現(xiàn)柵源電壓低于閾值電壓而被迫關(guān)閉的情況。因此，上管應(yīng)采用所謂的“浮柵驅(qū)動(dòng)”。為高壓驅(qū)動(dòng)電路提供一個(gè)浮動(dòng)的供電系統(tǒng)，這里采用的是自舉原理，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是方便，而且效率高，體積小。自舉電路的原理圖如圖28所示。圖28自舉電路原理圖由這個(gè)電路可以看出，12V電源串聯(lián)二極管后，再在二極管負(fù)極與功率MOSFET源極之間串聯(lián)一自舉電容，當(dāng)源極電位為零時(shí)，自舉電容從12V電源經(jīng)自舉二極管充電至12V左右。當(dāng)源極電位因MOSFET導(dǎo)通而升高時(shí)，自舉電容負(fù)端電位被提升，二極管D反相截止，自舉電容上的電荷無(wú)法排放，將保持比功率管源極電壓高12V的電壓，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路加于MOSFET的柵極，使功率管在開(kāi)啟時(shí)保持開(kāi)態(tài)，實(shí)現(xiàn)自舉。233全橋結(jié)構(gòu)其功率放大器部分采用4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的全橋結(jié)構(gòu)，如圖29所示。圖29后級(jí)功率輸出電路原理圖工作于全橋方式時(shí)，圖中的兩路場(chǎng)效應(yīng)管是相互獨(dú)立交替工作的，分別在負(fù)載上產(chǎn)生兩路反相的方波信號(hào)。加在負(fù)載上的最大輸出峰值電壓（不考慮管壓降）均可以到達(dá)電源電壓VCC，因此它的最大可能輸出功率為L(zhǎng)CORVP2/從而提高了輸出功率。采用全橋方式，可以在單電源下工作，簡(jiǎn)化了電源電路。但是，由于脈沖波的前后沿不可能理想的陡直，而形成斜坡?tīng)?，致使管子在交替工作的瞬間出現(xiàn)相互重疊的導(dǎo)通部分，上管還沒(méi)有完全關(guān)斷，下管已經(jīng)開(kāi)啟，當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，會(huì)使電源通過(guò)串聯(lián)的兩支管子直接短路而不經(jīng)過(guò)負(fù)載，稱(chēng)為短路貫通，在兩個(gè)管子加上了VCC大小的電壓，由于MOS管的導(dǎo)通電阻很小，流過(guò)的電流會(huì)很大，不僅會(huì)形成能量的無(wú)效損耗，而且很容易使MOS管因短路電流過(guò)大而燒毀。如下圖210所示，所以，必須采用死區(qū)校正方案。圖210產(chǎn)生短路波形的示意圖第3章D類(lèi)功率放大器的單元電路設(shè)計(jì)31前置放大電路前置功率放大器的目的在于對(duì)輸入功率放大器的各種信號(hào)進(jìn)行加工處理，使其能和功率放大器的輸入靈敏度相匹配，簡(jiǎn)單的前置放大器的簡(jiǎn)圖如圖31所示圖31簡(jiǎn)單的前置放大器它由外接輸入耦合電容CIN確定放大器增益的輸入電阻RIN級(jí)反饋電阻RF及內(nèi)部提供的共模電壓VCM組成。這部分與一般的單電源前置放大器不同之處在于其共模電壓不是1/2VCC。由CIN及RIN決定了高通濾波器3DB截止頻率F3DB，F(xiàn)3DB與RIN，CIN的關(guān)系為F3DB1/2CINRIN；放大器增益AVD與RIN及RF的關(guān)系為AVDRF/RIN；經(jīng)過(guò)前置功率放大器放大后的最大輸出信號(hào)與VCM的關(guān)系如圖32所示。如VCM03VCC則前置放大器最大輸出電壓幅值為06VCM。圖32前置放大器的輸出關(guān)系圖圖33為采用差分輸入方式的前置放大器的結(jié)構(gòu)，音頻信號(hào)U1由左端輸入，經(jīng)過(guò)阻直電容輸入結(jié)形場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。結(jié)形場(chǎng)效應(yīng)管采用3DJ4F，運(yùn)算放大器采用低噪聲，高速器件NE5532，電阻、電容選用高精度，高穩(wěn)定度及高質(zhì)量的元件。經(jīng)實(shí)際測(cè)試其技術(shù)指標(biāo)為輸出噪聲電壓小于25V；頻帶寬度5050KHZ；諧波失真小于002；轉(zhuǎn)換速率大于10S/V。圖33前置放大器電路32三角波產(chǎn)生電路三角波發(fā)生器我采用的是如圖34電路2374618HA522110KR710KR110KR31UFC3100PFC2R250K5KR610KR505UFC510KR310KR41UFC4VCC112233445566ICM7555D1N5404C601UFC1250PF圖34三角波產(chǎn)生電路本電路設(shè)計(jì)是通過(guò)使用一種定時(shí)器電路（ICM7555）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ICM7555在最高達(dá)10MHZ的可變頻率范圍上產(chǎn)生一個(gè)12VPP方波，然后通過(guò)集成電路變換成為三角波輸出。該電路由運(yùn)算放大器（HA5221）和電阻器電容網(wǎng)絡(luò)組成。該發(fā)生器產(chǎn)生高頻線性三角波，用以把D類(lèi)功率音頻放大器中的總諧波失真（THD）減小到最低程度。這種三角波線性度很難在高頻上產(chǎn)生，這是因?yàn)榉讲ň哂胁徽R的邊沿和完整的拐角。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，可以采用ICM7555定時(shí)器來(lái)解決。方波的斜率還取決于負(fù)載和反饋調(diào)節(jié)，以及運(yùn)放的偏移。一個(gè)問(wèn)題即畸變的三角波頂部和底部問(wèn)題可以用HA5221寬帶低偏移運(yùn)放IC來(lái)解決。另一個(gè)問(wèn)題即對(duì)著電源總線之一的三角波漂移問(wèn)題可增加兩個(gè)低通濾波器負(fù)反饋電路來(lái)解決。該電路由兩個(gè)IC電路組成；改進(jìn)型通用555定時(shí)器和運(yùn)放。三角波是通過(guò)積分器電路對(duì)方波輸出進(jìn)行積分而產(chǎn)生的。積分器電路由電容器C1、電阻器R1和寬帶底偏移HA5221運(yùn)算放大器組成。三角波的幅度值由輸入電壓除以R1C1時(shí)間常數(shù)確定。ICM7555定時(shí)器提供輪廓鮮明的，占空因數(shù)為50的對(duì)稱(chēng)方波。頻率由下式確定241/CRF峰峰三角波電壓為VPP（三角波）VPP（方波）/（2FR1C1）電阻分壓器（R3和R4）對(duì)V/2的三角波中點(diǎn)。由于方波不會(huì)正好在V和地之間切換，因此方波由R7，R8和C3組成的濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低通濾波，并加到運(yùn)算的非倒相輸入端。這實(shí)際上是對(duì)三角波輸出的中點(diǎn)進(jìn)行細(xì)調(diào)。另一個(gè)低通濾波器是由R5，R6和C4組成的，將三角波輸出的平均值反饋到倒相求和。這就會(huì)平衡掉三角波向電源總線漂移的傾向。33脈沖調(diào)制電路PWM調(diào)制器也稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制器。該電路的作用是把加在它的輸入端的模擬信號(hào)變成寬度或者占空比與輸入信號(hào)成正比的脈沖。它由三角波產(chǎn)生器有的公司生產(chǎn)的D類(lèi)功率放大器中使用鋸齒波發(fā)生器、電壓比較器和驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)電路組成。三角波產(chǎn)生器是利用恒定電流對(duì)一個(gè)電容器的充電和放電而形成三角波。三角波的頻率就是D類(lèi)音頻功放的振蕩器頻率，它是固定的。脈寬調(diào)制電路即PWM控制電路，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓比較器，如圖35所示圖35圖36它的同相端輸入前置放大器的輸出信號(hào)電壓，它的反相端輸入鋸齒波電壓。這兩個(gè)電壓經(jīng)比較后，輸出與音頻信號(hào)幅度值成正比的脈寬信號(hào)。在A點(diǎn)以前，音頻信號(hào)電壓大于鋸齒波電壓，比較器輸出高電平（接近VCC電壓）；在A點(diǎn)以后，B點(diǎn)以前，鋸齒波電壓高于音頻信號(hào)電壓，則比較器輸出低電平；在B點(diǎn)以后C點(diǎn)以前，音頻信號(hào)電壓又高于鋸齒波電壓，則比較器輸出高電平。這樣，由比較器輸出脈沖寬度與音頻電壓信號(hào)幅度成正比的PWM信號(hào)。將音頻信號(hào)電壓、鋸齒波電壓及比較器輸出的PWM信號(hào)畫(huà)在一起如圖36所示。由圖可以看出，鋸齒波的電壓幅值是2VCM；輸出的脈沖寬度與音頻信號(hào)電壓的幅值成正比。音頻信號(hào)電壓為0時(shí)，輸出脈沖占空比為100；輸出脈沖的頻率等于鋸齒波的頻率。SOCF脈沖寬度調(diào)制電路將直接影響音頻功率放大器的性能指標(biāo)。對(duì)于高頻載波三角波，為了減小輸出音頻信號(hào)的非線形失真，要求三角波信號(hào)的兩個(gè)斜邊對(duì)稱(chēng)且具有高的線形度。對(duì)于載波頻率的要求，理論分析表明，載波頻率越高，功率放大器的輸出高頻干擾越容易濾除，輸出波形失真也越??；但功率放大器的開(kāi)關(guān)頻率也升高，這將大大的增加開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，造成功率放大器的效率下降。因此，一般載波信號(hào)（三角波）的頻率和調(diào)制信號(hào)（取正弦波）的頻率滿足如下關(guān)系TSFF201其中，為載波信號(hào)頻率，為調(diào)制信號(hào)的頻率。功率放大器的通頻帶為SFT10KHZ，取三角波信號(hào)的頻率為120KHZ。對(duì)于脈沖調(diào)制電路，我所采用的是高精密、高速度的比較器LM111。LM111是一種新型的電壓比較器。它與其他的電壓比較器不同之處在于其一，該器件的輸入誤差電流很小，故可應(yīng)用在高阻抗電路中；其二，應(yīng)用靈活，它不但能驅(qū)動(dòng)DTL、TTL邏輯電路，而且還能與MOS邏輯開(kāi)關(guān)和FET模擬開(kāi)關(guān)接口；其三，它能由單5V電源供電去驅(qū)動(dòng)DTL或TTL電路這就使得電路電源得以簡(jiǎn)化。該器件中主要使用了輸入端的PNP晶體管的緩沖而獲得較低的輸入電流。輸出端V11為輸出管，由于該電壓比較器的輸出端與地端均與電路中其余點(diǎn)隔離，這就使得輸出方式變的極為靈活，既可以由輸出端直接輸出，亦可以從地端串入負(fù)載輸出。當(dāng)V端與地端相連時(shí)電路即可實(shí)現(xiàn)單電源供電。脈沖調(diào)制器的具體電路結(jié)構(gòu)如圖37所示32817654U3LM11110KR1210KR1310KR1410KR1510KR16圖37脈沖調(diào)制電路結(jié)構(gòu)由前置放大器輸出的音頻信號(hào)送入比較器的同相端，由三角波產(chǎn)生電路生成的鋸齒波送入比較器的反相端，供電電壓為5V的單電源，為給VV提供符合要求的靜態(tài)電位，取R12R15，R13R14，4個(gè)電阻均取10K。R16構(gòu)成負(fù)反饋電路。輸入的兩個(gè)信號(hào)經(jīng)比較器比較之后，輸出與音頻信號(hào)成正比的脈寬調(diào)制信號(hào)。34驅(qū)動(dòng)控制電路如下圖所示123UA4081123UA4081123UA4081123UA4081123UA4030123UA403032UA404932UA404932UA404915KRT100PF圖38驅(qū)動(dòng)控制電路為了達(dá)到驅(qū)動(dòng)控制電路應(yīng)具備的四個(gè)方面的要求，即一是把PWM信號(hào)整形成前后沿更加陡峭的脈沖；二是能倒相形成PWM和兩個(gè)脈沖以滿足H橋功PWM率開(kāi)關(guān)管的要求；三是為防止同一橋臂上兩功率管直通，PWM和兩脈沖之間要有一定的死區(qū)時(shí)間；四是應(yīng)具有保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)過(guò)流或短路時(shí)，應(yīng)封鎖PWM和脈沖信號(hào)輸出。根據(jù)以上要求，做出電路如圖所示。PWM該電路采用5V電源供電，所有邏輯器件均采用CMOS集成器件，當(dāng)過(guò)流保護(hù)信號(hào)為高電平“1”時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路正常工作，R、C決定死區(qū)時(shí)間；當(dāng)過(guò)流保護(hù)信號(hào)為低電平“0”時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路無(wú)脈沖輸出。35功率輸出電路功率輸出電路我們采用H橋式功率放大電路，H橋式功率放大器電路的任務(wù)是把PWM信號(hào)中的調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)，即開(kāi)關(guān)式功放就是一逆變器電路。對(duì)逆變電路的設(shè)計(jì)首先要選擇開(kāi)關(guān)頻率高，導(dǎo)通電阻小的場(chǎng)效應(yīng)管；其次應(yīng)采用H橋式逆變器電路，目的是使輸出電壓擺幅可以升高到接近于兩倍的電源電壓，增大功率放大器的最大不失真輸出功率。再者為了減少輸出電壓的非線性失真，逆變器的輸出端應(yīng)接入LC低通濾波器。具體的功率輸出電路結(jié)構(gòu)如圖39所示。整個(gè)放大器電路由四個(gè)輸出電容小，容易快速驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)效應(yīng)管組成，在這里我們采用IRFD120（N溝道）和IRFD9120（P溝道）組成。左面兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（上為IRFD120，下面為IRFD9120）的柵極組成放大器的同相輸入端，另外兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管（上為IRFD120，下為IRFD9120）的柵極組成功率放大器的反相輸入段。一路信號(hào)由放大器的左端（兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極）輸入，另一路反相信號(hào)由放大器的右端（兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極）輸入；輸出則由兩場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連接組成。Q1Q3Q2Q4圖39功率輸出電路的結(jié)構(gòu)36濾波器電路功率輸出電路送到負(fù)載的信號(hào)是一串脈沖，脈沖的占空比和加在脈沖寬度調(diào)制器輸入端的模擬信號(hào)幅度成正比，但是脈沖包含的基頻和諧波是有害的，必須通過(guò)低通濾波器LOWPASSFILTER把基頻和諧波超高頻信號(hào)濾除，僅留調(diào)制音頻信號(hào)模擬信號(hào)的部分，用以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。低通濾波器的截止頻率決定功放頻率響應(yīng)的高頻上限。此高頻上限隨著輸出負(fù)載不同而改變，可選3040KHZ。低通濾波器的電感器中流過(guò)的電流很大，電感線圈的電阻和電容器的等效串聯(lián)電阻都會(huì)消耗功率，也就是說(shuō)，輸出低通濾波器會(huì)降低D類(lèi)功率放大器的效率，必須使用等效串聯(lián)電阻小的電感器和等效串聯(lián)電阻小的電容器。用二階低通濾波器時(shí)需要的元件數(shù)量少、成本低，對(duì)高頻的衰減作用要差一些。用四階低通濾波器需要的元件數(shù)量多、成本增高，對(duì)高頻的濾波效果要好過(guò)二階低通濾波器。提高開(kāi)關(guān)頻率可以降低電感器和電容器的數(shù)值，從而可以使用體積較小的電感器和電容器，便于布置印制電路板，也可以幫助降低MOSFET管的開(kāi)關(guān)損耗。同樣無(wú)源元件的高頻損耗也會(huì)引起效率下降。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)在這些互相矛盾的因素之間進(jìn)行折衷，通常該電路采用功率損耗較小的二階低通濾波器。具體的電路結(jié)構(gòu)如圖310所示。圖310輸出低通濾波器的結(jié)構(gòu)由圖可知該濾波器由兩個(gè)電感、電容和一個(gè)電阻組成。功率輸出器輸出的信號(hào)送入該濾波器的左端的兩個(gè)輸入端，右端接揚(yáng)聲器發(fā)聲。當(dāng)然對(duì)于高電感的揚(yáng)聲器可以省去該濾波電路，而直接接功率輸出電路的輸出端。我們也可以采用四階巴特沃斯低通濾波器（如圖311所示）。濾波器的左右兩個(gè)端均接功率輸出電路的輸出端，在該濾波器中個(gè)元器件的參數(shù)如圖所示。對(duì)濾波器的要求是上限頻率20KHZ，在同頻帶內(nèi)特性基本平坦。L122UHL447UHL322UHL247UHC11UFC2068UFSPEAKERC3068UFC41UF圖311四階巴特沃斯低通濾波器37電平指示電路（音量顯示電路）為了符合整體電路要求，電平指示電路我采用的是5端LED顯示，也及帶放大器電平指示的電路，具體的電路結(jié)構(gòu)如圖312所示。Q13DG201Q23DG201Q33DG201Q43DG201Q53DG2015006025D12CP106D2D3D4D5GNDD633UFGNDVCC圖312五段電平指示電路該電平指示電路可以認(rèn)為是一個(gè)結(jié)果顯示電路接在功率輸出放大器的輸出端，功率放大器的輸出信號(hào)由最左邊的三極管的基極送入。該電路由分立元件組成，經(jīng)倍壓整流的音頻電壓達(dá)到05V，最右邊的晶體管先導(dǎo)通，其集電極上的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。隨著輸入信號(hào)的增大，從右到左，發(fā)光二極管依次發(fā)光。我們也可以采用現(xiàn)成的集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電平指示，圖313就是采用集成電路LB1405驅(qū)動(dòng)，可以做輸出電平指示或錄音電平指示。調(diào)節(jié)電位器（10K）可控制指示靈敏度，改變集成電路15角外接的47F電容大小，可以改變閃燈的響應(yīng)頻率。18169270VCC2K133GND15K100K47100K51P10K4720KSPLB1405圖313采用集成電路LB1405的電平指示電路38供電電源電路音頻功率放大器的供電問(wèn)題，大都采用50HZ交流電力網(wǎng)供給，然而其內(nèi)部的用電器件卻都采用直流供電。顯然，這就需要將電力網(wǎng)供給的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以按照各自用電器件規(guī)定的電壓和電流供給。這就是我們將要介紹的音頻功率放大器的供電電源。其內(nèi)容涉及到供電電源類(lèi)型及優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的問(wèn)題以及抗干擾等。音頻功率放大器的供電電源，主要有三種類(lèi)型，即非調(diào)整電源、線性調(diào)整電源和開(kāi)關(guān)模式電源。在這三種類(lèi)型的電源中，非調(diào)整電源將是最有成本效益的選擇方案。下面就介紹以下三種供電電源的特性381非調(diào)整電源非調(diào)整電源是由變壓器、整流器和濾波電容器組成的，屬于線性調(diào)整電源最簡(jiǎn)單的一種供電電源。它的優(yōu)點(diǎn)主要是1簡(jiǎn)單可靠，而且便宜相對(duì)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的銅線鐵芯電源變壓器也許是放大器中最昂貴的部件。2不存在開(kāi)關(guān)頻率而帶來(lái)的不穩(wěn)定性和高頻干擾的可能性。3放大器可在瞬態(tài)峰值上饋送較高的功率。這一點(diǎn)正是放大器所需要的特性。它的缺點(diǎn)主要是1在直流輸出電壓中呈現(xiàn)有值得注意的紋渡。這對(duì)放大器來(lái)說(shuō)，需要考慮電源抗干擾比這一指標(biāo)。2電源變壓器相對(duì)地將是沉重且大體積的部件。同時(shí)變壓器初級(jí)線圈的接頭需根據(jù)不同國(guó)家及它們的電源電壓而作改變。3橋式整流器在二極管關(guān)閉的瞬間將100HZ的重復(fù)率產(chǎn)生脈沖，且隨著供電電流的增大這一情況將進(jìn)一步惡化，這說(shuō)明采用非調(diào)整電源而不采用開(kāi)關(guān)電源，并不意味著射頻干擾會(huì)全部沉寂。382線形調(diào)整電源線性調(diào)整電源是在非調(diào)整電源亦即整流部分的基礎(chǔ)上，再增設(shè)自動(dòng)調(diào)壓器部分而構(gòu)成的。其中，非調(diào)整電源提供一個(gè)非穩(wěn)定的直流電壓，而自動(dòng)調(diào)壓器部分則將此非穩(wěn)定的直流電壓通過(guò)調(diào)整元件后在負(fù)載上得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。通常又稱(chēng)為穩(wěn)壓電源。它的優(yōu)點(diǎn)主要是1直流輸出電壓穩(wěn)定、紋波很小，可以放寬放大器對(duì)電源干線抗干擾的要求。2面對(duì)電網(wǎng)電壓的變化可提供恒定的音頻功率輸出。3為了防止放大器出現(xiàn)直流事故時(shí)存在的電子線路失效的幾率，可配置保護(hù)電路，以免供給電源受損。它的缺點(diǎn)主要是1電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，潛在地較為不可靠。因?yàn)樵骷脑龆啾厝粫?huì)降低總的可靠性，再加上保護(hù)電路本身也將需要某些種類(lèi)的反饋保護(hù)特性，如果放大器因輸出器件遭到損壞則調(diào)壓器部分也可能被損壞。2造價(jià)相對(duì)比較昂貴。一般來(lái)說(shuō)，它至少需要增加兩個(gè)大功率晶體管，還要增加相關(guān)的控制電路和過(guò)流保護(hù)。這些功率器件都還需要散熱和硬件安裝以及短路檢測(cè)電路等，必然會(huì)使造價(jià)昂貴。3對(duì)于不同的電網(wǎng)電壓，電源變壓器的初級(jí)接線端接線，也必須予以改變，4集成電路式的調(diào)壓器根據(jù)電壓和電流的要求，通常是不可使用的。必須采用分離元件的電路設(shè)計(jì)，且通常不能以O(shè)EM方式購(gòu)置除非以不經(jīng)濟(jì)的高成本作為代價(jià)。5可能出現(xiàn)嚴(yán)重的高頻不穩(wěn)定性問(wèn)題，或者是本身出問(wèn)題，也可能是與被供電的放大器一道出問(wèn)題。其原因可能是變壓器的輸出阻抗大概會(huì)隨頻率升高而增大，這會(huì)導(dǎo)致某些高頻的不穩(wěn)定性。6放大器不再能對(duì)瞬態(tài)峰值信號(hào)饋送更高的功率。7對(duì)于瞬態(tài)電流需求的反應(yīng)大概是慢速的，因此影響了轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)。383開(kāi)關(guān)模式電源開(kāi)關(guān)模式電源是一種采用脈寬調(diào)制或脈沖頻率調(diào)制式的開(kāi)關(guān)電源。其調(diào)整元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通常是由取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較后得到的差動(dòng)信號(hào)，去控制振蕩器輸出的脈沖寬度或脈沖頻率，并將這些脈沖串放大后去控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止。于是得到一系列寬度可變的矩形渡電壓，最后通過(guò)高頻濾波即得到平滑的直流電壓輸出。它的優(yōu)點(diǎn)主要是1紋波比非調(diào)整電源要小得多，與線性調(diào)整電源相比，雖然不如好的線性調(diào)整電源設(shè)計(jì)更好，但典型值為20MV峰一峰值。2沒(méi)有笨重的電源變壓器，在總的設(shè)備重量上顯著地減輕了，這對(duì)于廣播設(shè)備來(lái)說(shuō)是重要的。3能夠以O(shè)EM方式購(gòu)置。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)模式的設(shè)計(jì)是專(zhuān)家們的特殊性工作，OEM方式購(gòu)置幾乎是強(qiáng)制性的。4在放大器出現(xiàn)危險(xiǎn)的直流偏調(diào)情況下，開(kāi)關(guān)模式電源可設(shè)計(jì)成使其進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。5對(duì)于整個(gè)世界范圍內(nèi)可提供的電網(wǎng)電壓，無(wú)需調(diào)節(jié)就可以正常地工作，即使電壓不同，仍能給出相同的音頻功率使其適應(yīng)電壓范圍，一般為90260V。它的缺點(diǎn)主要是1屬高頻干擾的多發(fā)源，欲從音頻輸出中全部消除高頻干擾是極端困難的。2100HZ紋渡不可忽視，必需在放大器中采取電源抗干擾預(yù)防措施。3電路結(jié)構(gòu)要比非調(diào)整電源復(fù)雜得多，因此可靠性要下降。4對(duì)瞬態(tài)電流需求的反應(yīng)可能是比較慢的?？傊?，從上述的三種類(lèi)型電源來(lái)看，似乎已清楚地認(rèn)識(shí)到調(diào)整電源對(duì)于功率放大器來(lái)說(shuō)，并不是很有利的。實(shí)際上，對(duì)于三種類(lèi)型的電源來(lái)說(shuō)，如果認(rèn)真設(shè)計(jì)的話，均可給出極好的聲音。顯然，采用非調(diào)整電源將是最具經(jīng)濟(jì)效益的一種方案，不過(guò)其主要關(guān)鍵在于設(shè)法消除頻域的紋波。對(duì)于線性調(diào)整電源而言，其方案表現(xiàn)出來(lái)的挑戰(zhàn)，將在于設(shè)計(jì)兩個(gè)復(fù)雜的負(fù)反饋系統(tǒng)，如果其中有一個(gè)出現(xiàn)任一高頻不穩(wěn)定性的話，則兩個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)的緊密耦合將極易使二者成為致命的結(jié)合。再者，從考察的典型放大器設(shè)計(jì)角度來(lái)看，通常典型放大器的設(shè)計(jì)都具有極好的電源干線抗干擾能力，這樣采用簡(jiǎn)單的非調(diào)整電源就可以完美地適用于放大器使用，而調(diào)整電源的使用就沒(méi)有必要了。因?yàn)椴捎谜{(diào)整電源，即使取得了最好的結(jié)果，但在高頻電路的購(gòu)置、制造和測(cè)試的成本上就已經(jīng)加了倍，尤其是在某些情況下，將可能碰到難以駕馭的高頻穩(wěn)定性、特殊的轉(zhuǎn)換限制以及某些昂貴器件的失效等問(wèn)題由于整個(gè)系統(tǒng)即包括模擬電路，也有數(shù)字電路，為了減少相互干擾，故采用自帶4路電源5V，5V，12V，12V，分別對(duì)各部分電路供電。電路圖如下圖2000UF/25V470UF/25F470F/25V01UF01UF132VVGNDINOUT78L12132VVGNDINOUT79L1201UF01UF132VVGNDINOUT78L05132VVGNDINOUT78L0501UF01UF01UF5V1234220V12V12V5V12432200F/25V01UF圖314音頻放大器供電電源電路結(jié)構(gòu)第4章D類(lèi)音頻功率放大器的整體電路結(jié)構(gòu)D類(lèi)音頻功率放大器的總體結(jié)構(gòu)電路如下圖所示，32817654U3LM11110KR1210KR1310KR1410KR1510KR161UFC31UFC62374618HA522110KR710KR110KR31UFC3100PFC2R250K5KR610KR505UFC510KR310KR41UFC4VCC123UA4081123UA4081123UA4081123UA4081123UA4030123UA403032UA404932A404932UA404915KRT100PFQ1Q3Q2Q41UF06810KQ13DG201Q23DG201Q33DG201Q43DG201Q53DG2015006025D12CP106D2D3D4D5GNDD633UFGND112233445566ICM7555D1N5404C601UF2000UF/25V470UF/25F470F/25V01UF01UF132VVGNDINOUT78L12132VVGNDINOUT79L1201UF01UF132VVGNDINOUT78L05132VVGNDINOUT78L0501UF01UF01UF5V1234220V12V12V5VC1250PF3DG4F3DG4F15K15K51K20K2K20K300PF10UF56K100UFNE5532470K10UF12432200F/25V01UF圖41D類(lèi)音頻功率放大器的整體結(jié)構(gòu)電路圖由圖中可以看到，該D類(lèi)功率放大器包含供電電源電路、三角波產(chǎn)生電路、前置放大電路、PWM脈沖調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、H橋式功率放大電路、5段LED電平顯示電路、低通濾波電路。各個(gè)電路的功用和組成已經(jīng)在前面的章節(jié)中詳細(xì)敘述了，在此就不羅嗦了。該D類(lèi)音頻功率放大器的工作過(guò)程是輸入的音頻信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置功率放大器的篩選，送入PWM放大器的同相輸入端，同時(shí)有555定時(shí)電路生成的方波信號(hào)經(jīng)HA5221生成三角波信號(hào)送入PWM放大器的反相輸入端；經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路送入H橋式功率放大電路，送揚(yáng)聲器輸出發(fā)出聲音；5段LED電平顯示電路的作用是根據(jù)音量的大小同步的顯示。電源供電電路提供該D類(lèi)音頻功率放大器內(nèi)的所有晶體管、邏輯電路、集成電路的電源、交變電流