用于电力载波输出的功率放大器设计

用于电力载波输出的功率放大器设计电力载波通信(powerlinecommunication,PLC)是电力系统特有的通信方式，电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。现在，PLC除了在远程抄表上有所应用外，随着家庭智能系统这个话题的兴起，也给PLC带来了一个新的舞台。在电力载波系统输出级，需要对调制好的信号进行放大，本文使用共射放大电路和OTL电路分别对电压和电流进行放大，为了控制输出信号的谐波失真率，对偏置电路和反馈电路进行了改进，同时在设计中考虑温度影响，使电路可以在室外环境中正常工作。1放大器的设计要求和基本电路根据国家电网标准的要求，载波信号的总谐波失真应小于O.05%，由于需要在室外工作，所以电路需要能够在-30℃的环境中正常工作，输出功率应达到1W。在本设计中，为了达到输出功率的需求，供电部分采用12V直流供电，电源内阻为10。信号源为数/模转换芯片的输出信号，频率为132kHz，信号电压峰值为2.5V，芯片内阻为2k。负载为电力线，在仿真中采用如图1所示的人工电源网络模型。图1人工电源网络模型AC]IWdF小F，WnF卫A50kQAC]IWdF小F，WnF卫A50kQ^3906Q2N3904a2基本功率或大电路基本电路如图2所示，Q9为前级放大，Q8,Q12为后级输出。输入与输出之间引入负反馈，调节增益，使得输出功率满足实际应用的需要，同时起到降低谐波失真的作用。前后级直接耦合，以简化电路，降低成本。2温度影响2.1温度降低的影响及解决办法当温度降低时，使得晶体管集电极电流降低，而基极电流增大，当Q9基极电流增大时，R5电流增大，两端压降也随之增大，而R5左端电压为O.7V基本不变，于是右端电压上升，使得静态工作点高于Vcc/2,于是输出波形的正半周顶端出现失真。解决方法：（1）被动温度适应法。加大负反馈降低增益，即R7的设定值降低，使得静态工作点的上升不至于使输出波形失真。缺点是降低了输出。把R7调整为3 ，电路可以在-30℃下正常工作，基波3V，三次谐波为1mV。（2）主动温度补偿法：将R5设定为可变电阻，当温度降低时，降低R5阻值，使静态工作点保持不变，也就避免了输出波形的失真。2.2温度上升的影响及解决办法使用推挽式输出级通常要通过偏置电路消除交越失真，最简单的方法是使用D7和D8两个二极管来实现。当负载电流较大时，三极管温度升高，be间电压降低，而二极管电流并不大，其正向导通电压Ve变化不大，这样，Vbe和Ve之间的电位差使得三极管中流过的电流加大，温度进一步上升，电位差更大，三极管电流也更大，最终使三极管发生热损坏。解决方法：⑴如图3所示，在2个三极管射极输出端串联2个电阻，限制电流。（2）使用如图4所示的电路，将3个三极管靠近，使它们热耦合，则随着温度变化，Q3两端电压也会变化，从而抑制了热击穿。图3串联电配法 图4热相合方法当三极管功率不是太大时，可以直接使用二极管偏置。3负反馈电路的改进

将基本电路中的R8使用如图5所示的LC谐振电路代替，可以将132kHz频率的信号正确反馈，而其他频率信号则被衰减至很小，从而改善输出波形。非5nF图5选颊反馈电珞非5nF图5选颊反馈电珞电容和电感的取值由公式2H-「来获得。谐振频率相同时，电容容量越小，电感数值越大，品质因数越大，选频特性越好，为了得到合适的负反馈，加入了电阻来调整品质因数。从表1可以看出，使用LC谐振作为负反馈可以在一定程度上抑制谐波失真。两种反■电笔的比较电电反餐逸残痕情4.ISV4.】V二次*st25mV11mV三次谐波11mV5mV选频负反馈的使用使得电路只使用于特定频率的功率放大，若需要较大范围的频率响应，则不适合采用选频电路。4偏置电路的改进使用图6所示的恒流源代替基本电路中的电阻RL使得偏置电路中的电流不会受到输入端的影响，从而使输出端更加稳定，降低失真。由表2两者的对比可以看出，使用恒流源代替电阻可以使谐波失真大大降低，但是温度特性会变差，使用中需要注意温度补偿。

*2两料■置电第的比技候用一占他用恒金―4.}V 4,2V11mV 0.4mV-30C使用疆淀适应法时5-30C使用疆淀适应法时3.53V3.22VQ.2K)温度特性变差，但相对其对谐波失真的改进来看，此影响很小，所以在电路中恒流源的引入是非常有意义的。5提高输入电阻加入前面所述的选频负反馈电路之后，输入电阻变得很小，大概只有200〜300，当信号源内阻变化时，会导致输出端波形变化很大，并可能出现严重失真。所以需要采取措施提高输入电阻，以降低信号源变化所带来的影响。方法1通常可以采用射级跟随电路作为前级输入端的方法来提高输入电阻，此方法效果好，成本高。方法2当对输入电阻阻值要求不是太大时，可以简单的在输入端串联一定数值的电阻，来达到提高输入电阻的目的，此方法实现简单，成本低。在本应用中，信号由特定DA芯片提供，信号源内阻变化不大，适合采用第2种方法。6晶体管的选择最大管压降：电源采用了12V供电，所以晶体管最大管压降应大于12V；最大电流：经PSpice仿真，测得输出级的2个三极管最大电流为150mA,电流源和前级放大晶体管小于10mA；最大功耗：经PSpice仿真，测得输出级的2个三极管最大瞬时功耗550mW,前级放大晶体管最大瞬时功耗小于60mW；工作温度：产品需要能在室外环境中正常工作；频率特性：截止频率大于300kHz；综合考虑，选择2N3904和N3906晶体管。7改进后的电路图及性能根据前面所述的方法对开始的基本电路进行改进，得到最后的实用电路，如图7所示。电源：+12V,内阻10；输出信号总谐波失真率约O.05%；输入阻抗：1.2k。输出阻抗：6；输出电压：8.3V；最低工作