基于类功放的宽范围可调开关电源设计

1、基于 D 类功放的宽范围可调开关电源的设计作者：重庆交通学院基础部 周 平摘要：结合开关电源的原理对D 类功放的工作原理进行了分析，提出了在D 类功放基础上构建正负可调开关电源的方法，并在成品D 类功放器件基础上，成功地实现了经济实用的开关电源。：D 类功放；开关电源；反馈；稳压引言很多电子设备的开发研制过程中，都需要各种各样的实验与测试用通用稳压电源。这一类电源要求有较宽的调节范围、一定的输出功率以及完善的保护功能。以往的实验与测试用电源，为了实现输出的宽范围调节，大多使用基于模拟串、并联电路的稳压方式，其效率低下已是人们的共识。脉宽调制开关电源的出现，大大提高了电源的效率，现在的开关电源的

2、运用，大多局限在成品电器设备的固定电压的输出模式，其电压可调范围十分有限，而开关电源在通用电源的宽范围可调应用上并不普遍，特别是在对称的正负范围输出的可调应用上，即使有这样的产品其价格也相对较高。作者结合开关电源的原理对D 类功放的工作原理进行了分析，认为利用 D 类功放可以在较为经济的条件下，方便地实现宽范围可调的开关电源。1 D 类功率放大器的工作原理如图 1 所示，D 类音频功率放大器由两部分。第一部分是输入比较和信号形成电路，该电路中的三角波发生器产生固定频率和幅度的三角波信号作为脉宽调制的比较标准，通过比较器和输入的音频信号进行比较后输出信号，该信号的脉宽是随着音频信号幅度的变化而成

3、正比例地变化。放大器中的三角波、音频正弦信号产生的3 所示。波形及关系如图 2 所示。第二部分是H 桥脉宽功率放大电路和输出大功率滤波电路，如图第一部分电路得到的信号经过整形放大，驱动H 桥中与高压大功率电源相连的的 4 只大功率 CMOS开关管轮流导通，控制末级电源向负载提供的电流，从而获得大功率的信号，该信号再经过负载前的 LC 滤波器，利用电感电容的充放电效应在负载上获得大功率的音频信号。D 类功放中H 桥输出的稳定程度，决定于给H 桥供电电源的稳定性，故在D 类功放末级必须使用稳压电源。2 在D 类功率放大器原理基础上实现调制开关电源的设计思路从上面分析D 类功率放大器的工作原理可以得

4、出下述几点推理。1）当在音频输入端送入的信号是一个固定的直流电压值时，将在功放的输出端得到一个固定的电压输出值。与音频功放的情况不同，是从不稳定的大功率电源获得稳定的电压输出，即在 H 桥上连接的不是已经稳压的电源，而是仅仅经过简单整流滤波的非稳压电源。在输入信号足够稳定的情况下，输出电压的相对稳定要依靠输出和输入之间构建合适的反馈回路来实现。2）当在输出端接上一个电位器调节放大器的输入信号在一个正负范围内发生变化时，放大器的输出也在给H 桥供电的电源的正负幅值之间发生着变化，输入的一个很小的变化就可以在输出获得较大的从负到正的电压调整范围，故实现宽范围正负电压输出调节也是可能的。3）由于电源

5、设计是基于D 类功放的，是工作在的方式下，与开关电源有相同的能量利用效率。基于上述思路，设计出电路的原理框图如图 4 所示。3 在D 类放大器的基础上进行可调稳压电路的设计31脉冲基本频率的设定由于D 类功放的信号频率基于三角波发生器的频率，而且是为音频信号服务的，所以，三角波和频率一般都设计得较高，为 150500kHz，这使得开关电源的输出电压的纹波小，电源的纹波系数高。因此，这一部分仍然使用原来的三角波发生器的设计，可以不改动原来的构造开关电源时可以不改动原电路。电路，特别是在使用成品 D 类功放电路如果不用成品D 类功放电路构造开关电源，可以使用 LM556 等电路来构造三角波发生器，

6、具体电路及振荡频率的计算已有很多资料介绍，不再赘述。三角波的输出应有足够的幅度，一般选VPP=（35）V，以给比较电路足够的信号强度。32 电压调整部分的设计电压调整部分的设计就是要改造原来的D 类功放的输入端，即去掉原来的输入耦合电容，把一个可调稳压电路（如图 5 所示）的输出连接到输入端，代替原来的音频信号，使原来的功放输入信号 Vin=（VWVf）可以随着 WR 的调节在正负区间变化。33 稳压部分电路的设计作为一个开关电源，应具有足够的电压稳定度，这就要有采样电路在输出端进行电压采样，并经过反馈电路反相回送到输入端，通过对输入直流电压大小的控制完成电源的设定的电压值上，电压采样与反馈实

7、验电路设计如图 5 所示。脉宽调节，控制输出电压稳定在 WR 调节稳压工作原理可分析如下：在D 类功放输入端送入一个直流电压，在输出端得到一个滤波后的直流电压，输入端的正负变化将在输出的正负相端得到对应的正负电压输出，从而在采样电路的 Ro 上获得一个电压降VR，VR 经反相放大后再和参考电压进行叠加，形成输入端的调节电压 Vin，送入 D 类功放的输入端。例如，当输出电压的绝对值增加，则有VRVfVin=VWVf正或负相脉宽变窄输出滤波后电压Uout降低稳压。反之亦然。34 输出滤波电路部分的设计与改造D 类功放的输出通过H 桥直连滤波电路，因此，在一定条件下运用时可以省去开关变压器，降低整

8、个电路的成本。D 类功放的输出滤波器参数（滤波电感L、滤波电容C）的大小是按照音频输出要求选定的，故其输出截止频率f 较高，一般在 20kHz 以上。但运用到电源电,输出的是一个直流电压信号，所以，截止频率应该很低，故滤波电感L 和滤波电容C 都取得较大，这可以参照一般的开关电源的参数，比如滤波电容的容量要达到1000F 以上，以尽量地滤除交流信号。这一部分的电路如图 6 所示。35 基于D 类功率放大器的开关电源整体电路设计根据上述分析与设计可调电压信号、三角波及的，基于D 类功率放大器的开关电源整体电路设计如图 7 所示，对应的输入端的波形、输出电压波形以及滤波输出电压波形的对应关系如图

9、8 所示。由此可见，通过对D 类功放的开关电源的改造了一个实用的开关电源。4 D 类功率集成电路在实用宽范围可调开关电源的运用实践与分析当前的D 类功率放大器集成电路（包括前端控制电路和后级H 桥）种类繁多，功能完善，放大器已具有完善的误差反馈放大电路、保护电路、三角波发生器和比较器等。为开发经济实用、功能完善的通用开关电源提供了极大的方便。图 9 就是在利用国家半导体公司新推出的 LM4651 和 LM4652 设计的D 类超低音功率放大器电路基础上，改造成的一款通用开关电源的实验电路（其中的括号内的元件参数是按电源运用而使用的）。LM4651 是控制/驱动器 IC，内置振荡器、比较器、误差

10、放大器、反馈放大器、电平移位与高端驱动器、驱动器及欠压、过热、短路和过调制保护电路。LM4652 是采用 15 脚（其中脚 6、8、9、11、12 未连接）TO220 封装的半桥功率 MOSFETIC，4 只 MOSFET的击穿电压V(BR)DSS=50V，漏极电流 ID=10A，通态电阻 RDS(ON)=200m（典型值），开启电压 VGS(th)=0.85V（典型值）。LM4651 中振荡器频率fosc=1109/(4000Rosc)，其中 Rosc=R6=3.9k，于是频率 fosc=125kHz。输入的直流调整信号Vin 经 C1 及 R1 和脚 10 输入到增益为 175dB 的误差

11、放大器。LM4652 的脚 7 和脚 15 上的H 桥开关输出通过 RC 滤波器滤波，由 R7R10 的采样电路取样后，反馈至 LM4651的脚 14、脚 19 经反馈测量放大器，再从脚 9 输出到脚 10，为误差放大器提供一个单端反馈信号 Vf，反馈电压 Vf 和 Vin 叠加形成开关电源的脉宽调制与电压控制信号（Vc）。Vc=VinVf 与振荡器产生的三角波进行比较，在比较器输出端产生一个占空比与输入电平成正比的脉冲，以驱动 IC2 中的功率 MOSFET。LM4652 脚 7 和脚 15 的开关输出，经 L1、C16 和 L2、C17 低通滤波，向负载输出直流电压、电流。这款实验电路的输出电压随输入端 WR 的调节，可以在接近电源VEE 的幅度实现随意的调节和稳定的输出。但其功率受LM4652 的限制，最大输出在 100W 左右，略小于它在音频功放时的输出，同时，由于 LM4652 本身耐压和功耗的限制，而没有用 220V 的交流直接整流供电给末级，而是通过变压器降压到音频运用时的电压范围（24V/18V 交流）。在实际开关电源运用时，可以通过使用分立器件的大功率高耐压开关器件来替