《并联电容结构的E类功率放大器设计》7200字（论文）

并联电容结构的E类功率放大器设计摘要带有并联电容的开关模式E类功率放大器因为其设计简便和高效地运行在工业设计中被广泛采用。它们的负载网络配置包括并联电容，串联电感和调谐至基本频率的串联滤波器，以提供高水平的谐波抑制。在E类功率放大器中，晶体管用作通断开关，电流和电压波形的形状提供了当高电流和高电压不同时重叠的条件，从而使功耗最小化并最大化功率放大器的效率。本文通过使用Multisim软件给出了一种含有并联电容的E类功率放大器的设计方法，对E类功率放大器中的并联电容进行了详细的描述与介绍,对并联电容在E类功率放大器中的地位与作用进行了分析并进行针对性的仿真，从而得到一定的成果。关键词：并联电容E类功率放大器multisim仿真目录1绪论 11.1研究背景与意义 11.2本文研究内容 12E类放大器原理 32.1传统功率放大器分析 32.2并联电容结构的E类功率放大器原理分析 43并联电容结构的E类放大器设计 63.1并联电容结构的E类放大器参数推导 64系统仿真 104.1仿真软件multisim介绍 104.2系统仿真 105总结与展望 165.1研究总结 165.2研究展望 16参考文献 171绪论1.1研究背景与意义在电子电路发展历程中，放大电路是非常重要、非常基础的一种应用电路。功率放大电路是常用的电子电路，其应用十分广泛。在电源电路中能进行调压或者移项控制等等，在外部设备中经常应用于功放等音像设备、或者是一些需要功率放大的应用场景，例如超声波的应用、无线电能传输等等。随着特斯拉的崛起，智能电动车时代日益临近，人类对自动驾驶不再是幻想，而超声波技术将会是自动驾驶中一个非常重要的核心控制组件。在超声波技术中利用了功率放大，然后在自动驾驶这一高精度的应用领域中，更加要求功率放大的稳定性、高效性。无线充电技术的普及，使得无线电能传输也受到了资本的追捧，无线电能传输需要更高效率的功率放大器、需要其稳定性高、效率高、良好的放大系数。另外随着通信技术的发展，5G应用的普及，这些新领域中，它们对功率放大具有较高要求，随着无线技术的发展，数据量日益变大，对于功率放大器来说，需要越来越宽的传输频段，也需要保证其数据传输的速度。因此，越来越多的研究人员倾向于采用新型的功率放大模式，有别于传统功率放大器的E类功率放大器便孕育而生。E类功率放大器是利用开关管的启动和闭合,使得开关管的能量损耗减少到最小，所以E类功率放大器相对于其他传统的放大器而言，效率有明显提高。本文根据E类功率放大电路的基本原理图设计了含有并联结构的E类功率放大电路，并在multisim中进行仿真，获得较好的效果。因此，研究E类功率放大器具有非常好的时代性与先进性。作为毕业论文的研究核心，不仅反映了所学知识，也是展开了进一步的学习，对现在流行应用的认知与探索。1.2本文研究内容根据本文的研究背景与意义，E类功率放大器具有很强的可行性。越来越多的设备已经在研发甚至实际使用之中。在未来前景上，E类功率放大器系统有着非常美好的未来，5G应用的到来将大大改善人类的生活，5G应用也带来了大量新型设备、更高效的电子器件的出现，极大的提高了这些5G设备的稳定性与可靠性。电子产品作为人类现代生产生活中必需品，它将伴随着人类历史，并将不断改进优化。随着人类科技技术的不断发展，人们对电子的低噪音、材料的环保、能耗效率的提高的要求与追求也会越来越高。未来，功率放大器的类型和数量也必将随着时代变化而产生巨变。本文将分为五个章节：第一章将介绍本文的应用背景与意义，详细阐述了不久将来智能时代下，电子产品的革新与应用，功率放大器作为电子产品的一部件，其随着电子发展而发生的巨大革新，因此这也是本文研究的意义。第二章将介绍E类放大器的原理，首先介绍传统甲类放大器、推挽式放大器的工作原理与特点，再进一步介绍并联电容结构的E类放大器的工作特点与优势。第三章将重点介绍对并联结构的E类放大器参数的推导。第四章进行系统仿真。对multisim软件进行简单介绍，进行相关原理图的设计与对仿真数据以及结果进行重点分析。第五章总结与展望，对本文研究进行总结，对本文研究中的结论与不足进行分析，对未来研究与发展进行展望。2E类放大器原理2.1传统功率放大器分析功率放大器的工作效率由其在输出网络的传输效率和放大器件效率这两个主要部分组成。功率放大器本身的实质就是一个能量转换器,，将直流电源电路提供的直流能量按照一定的规律转换成交流能量。根据工作状态的不同，功率放大器分类如下：线性功率放大器：甲类（A类）、乙类（B类）、丙类（C类）开关型功率放大器：丁类（D类）、戌类（E类）射频信号功率电流放大器根据测量电流的导向和通角不同,可将其类别分为甲类（A类）、乙类（B类）、丙类（C类）这三类工作状态。假使晶体管在信号的整个周期内均导通（导通角为360度），称之为甲类（A类）；如果晶体管仅在信号的正半周或负半周导通（导通角为180度），称之为工作在乙类（B类）；假如晶体管的导通时间大于半个周期而且小于整个周期（导通角在180-360°之间），称之工作在甲乙类（AB类）；倘若晶体管的导通时间小于半个周期（导通角小于180°），称之工作在丙类（C类）；如果晶体管工作在开关状态，此时管子仅在饱和导通时消耗功率，称之工作在丁类（D类）。下面列举了各类放大器的特点，如表2-1所示。表2-1各类功率放大电路特点电路类型效率失真度工作区域特性甲类低无失真饱和区散热差、成本高乙类较高严重放大区发热小甲乙类一般一般微导通应用广泛丙类高很大通信用途丁类最高小导通区域乙类（B类）以及丙类（C类）都十分适用于大功率工作状态，丙类（C类）工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，并且丙类只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然很好的接近于一个正弦波形，失真很小。传统的线性功率放大器虽然具有高增益和高线性度，但是效率较低，而开关功率放大器则具有高效率和高输出功率，但是线性度较差。2.2并联电容结构的E类功率放大器原理分析E类功率放大器，也被广泛地称作为E类开关调谐功率放大器，是近些年引起较多关注与重视的功率放大器结构形式之一。它工作在开关状态，具有电路结构简单且易于实现的优势，它的理想功率转换效率为100%。这些特性的优势使得E类功率放大器极其适合用作于高频电路的功率放大器。具有并联电容结构的E类功率放大器之设计方案最早于1975年由N.0.Sokal和A.D.Sokal提出其基本模型。其中，晶体管作为通断开关，并在开关状态下工作，电压与电流的成型必须要提供一个条件：高电流和大电压不会同时出现。这减小了功耗，并且增大了功率放大器的效率。由于它简单的结构并且具有较高的效率，E类功率放大器被广泛地应用于各种频率范围，其功率范围在1W到几KW之间。图2-1具有并联电容结构的E类功率放大器的基本电路E类功率放大器的特性是由它在稳态的条件下的集电极的电压波形与电流的波形来确定的。包含并联电容结构的E类功率放大器的基本电路如图2-1所示，其中它的负载网络是主要是由与晶体管（开关管）并联的电容C、电感L、串联L0C03并联电容结构的E类放大器设计3.1并联电容结构的E类放大器参数推导本节将重点介绍并联电容结构的E类放大器参数选择，上一章已经详细阐述了传统功率放大器与并联电容结构的E类放大器的工作原理。在计算放大电路中的各项参数中，我们先给定了如下一些假设条件，以便研究。线圈RFC是理想线圈，其可以完全滤除所有频率的的交流信号，而且对于直流信号不会产生损耗；开关Q1的控制占空比为50%的最佳工作模式；开关管的导通瞬间同时满足电压为零和电压导数为零两个条件。Vd式子中的V(ωt)表示为Q1开关元件的漏电压。如表3-1所示为E类放大器所用的所有数据电路参数。表3-1E类功率放大器参数参数参数符号直流电压V直流电流I负载电流I并联电容电流I开关管电流I并联电容C串联电容C串联谐振电感L串联负载电感L匹配电容C参数参数符号匹配电感L匹配电阻R匹配前电阻R开关管漏极的瞬时电流在开关关闭的瞬间应为零值，具体公式如下表示：I根据基尔霍夫电流定律，得知开关的漏极电流等于负载电流与直流电流之和：I=由基尔霍夫电压定律，我们可以得到V通过之前的推论，我们可以得出相位值为φ=−32.43o，代入上式：ωLext下一步就是要求谐振串联部分的元器件参数，Lres和Cl。频率和负载的值已经在前面的论述中给出。下一步要确定的就是共振电路的Q值。Q值没有严格的要求，Q值的选择受三个方面制约：一是给负载提供低谐波成分的电压；二是要保证高效率；三是如果有谐波压缩所用的滤波器的话，要考虑滤波器的复杂度。Q值的选择在这三个因素中折中选择。确定了谐振电路的Q值之后，我们就可以确定其他两个元器件。CLE类放大器用于经皮能量传输时，负载阻抗网络的特性有可能会发生变化。负载网络发生变化，则原来工作于最佳调谐状态的放大器会失调，放大器不再满足ZVS和ZDS条件。E类放大器在高频加热的应用中同样存在这样的问题。要全面地考察在这些应用中的不同条件下E类放大器的工作状态和传输功率、传输效率等因素，作出优化设计。最后需要确认的参数就是匹配电路的参数。通常，E类放大器的最终负载会比较小，通常为几欧姆。而E类放大器的标准输出电阻一般为50欧姆。L匹配是一个较好的方法，可以将小电阻匹配为指定值并提供一些额外抑制谐波的作用。如果最终负载为Rl，那么匹配网络的元器件参数可由以下公式求得：CL最终，串联电路上的电感值应为：LQ1开关管作为控制的核心，其作用毋庸置疑。因此对于本文来说选择一款合适的开关管十分重要，开关管一般有三极管、MOS管和IGBT，三极管一般作用是驱动小电流，而mos管驱动能力更强些，一般用于电机驱动，而IGBT一般使用于大功率电力电子设备之中。然而本文没有使用条件的限制，因此本文可以随意选择开关管的类型。根据上一节的参数，本文对E类放大器进行了一系列的仿真。开关管选用IRFB4020，IRFB4020具有一系列优良的特性，能够实现本文所需功能。表4-1IRF4020的性能参数参数参数大小V200VR80Q18ncQ6.7ncR3.2从表中可以看出，IRFB4020的漏极电压可达200V。除此之外，IRFB4020还具有以下特性：该开关管的开关速度快，延时基本可以忽略。RDS(ON)较小，因此开关管的消耗功率可以减少到最低值。负载功率大，最大可以负载300W（8Ω）的输出功率,功率损耗为100W耐高温，最高工作温度为175摄氏度。因此，在此次仿真实验中取输入功率为200W。图4-1表示了E类放大器在理想状态下的工作波形。在理想状态下，当开关管关闭时，漏极电流一直保持为零，漏极电压为接近正弦电压，其峰值大约为直流电压Vcc的3.5倍。图4-1E类放大器漏极电压电流理论峰值在开关管闭合的最后阶段，开关管漏极电压趋近于零，并且下降趋势缓和，导数也在接近零值的状态。当开关开启时，漏极电压降为零并且在开关管导通阶段一直处于零值的状态，电流出现上升态，并在达到最高值后下降，最高值可以达到直流电流I0的2.86倍。原则上，除负载之外没有元器件消耗能量。实际上，由于电感的阻值不可能为零，且开关管上有寄生电阻等存在，因此E类放大器会有一定的能量损耗。理论上，采用E类放大器的放大电路，效率能够达到90%。4系统仿真4.1仿真软件multisim介绍图4-1multisim界面本文主要采用仿真软件multisim进行对并联电容结构的E类放大器的仿真。NImultisim14.0是一款美国国家仪器有限公司（NI）自主开发并用于提供功能强大的可集成化的微电路过程模拟和系统仿真的应用软件，可以对电路进行建模，在电脑上进行仿真，还支持图形的优化及后期编辑处理。multisim告别了复杂的编程式仿真，采用图形化输入，将库中的元件放入电路图中便能自动生成网表进行仿真和模拟。因此，multisim有广泛的应用，除了进行电路的仿真与模拟外，还大量的用于电子电路的教学与演示之中。multisim与CAD或protel等印制电路软件进行联合开发，可实现电子电路程式化开发。因此，multisim被公认为一个非常适合做仿真的软件。4.2系统仿真本文采用multisim对放大器模块进行仿真，仿真参数基于理论计算值进行部分修改，开关管采用IRFB4020，信号源的频率为20kHz，幅度为15V。图4-2并联电容结构的E类放大器multisim仿真原理图外接一个示波器XSC1测栅极电压与漏极电压如图4-3所示：图4-3示波器XSC1接线示意图在E类功率放大电路中,并联电容的作用很重要,它主要用来确保晶体管在截止后的一段时间内,使栅极的电压保持一个十分低的数值,直至栅极的电流被减小至零。E类功率放大器实现高效率工作的必要条件之一便是栅极电压的延迟上升。本文首先取并联电容为40nF，73nF和100nF时，进行开关管漏极电压波形的比较，选取1个符合期望的并联电容数值。通过仿真，我们可以得到栅极电压（红）与漏极电压（绿）的波形为电容C分别取以上三个不同数值时输出电压的波形。如图4-4，4-5，4-6所示。图4-5C=40nF时漏极电压波形仿真图4-6C=73nF时漏极电压波形仿真图4-7C=100nF时漏极电压波形仿真改变并联结构中的电容的大小，观察输出波形，发现电容越大，输出电压越小。其中当并联电容为40nF时输出电压最大，并联电容为100nF时输出电压最小，但是失真程度较大。从上图4-6中可以看出，当开关管Q关闭时，漏极电压基本呈现半个正弦波，当开关管开启时，漏极电压降为零值，且漏极电压下降趋势减缓，导数值趋近于零，能够防止在开关开启时产生瞬时电流。总体来说，选取并联电容为73nF时漏极电压值符合理论预期。上图4-6中，漏极电流基本与理论分析中相合，在2.084ms处出现尖峰。通过分析，应该为该周期内，并联电容的漏极电压在开关管导通前没有下降至零值，从而导致了开关管的瞬间短路。由于大部分周期内电流都能保证为正常值，并且该尖峰值持续时间短，不会对电路产生巨大影响，因此该现象在允许范围内。图4-8输出频谱图图4-9输入频谱图图4-8，4-9分别为输出/输入频谱图，通过这两张图，可以清楚地看出，其中的输出信号和接收器输入信号的频率组合成分大致相同。两张图中的下半段被称为输入信号的时序波形,可见输出信号与输入信号之间仍然存在着一种线性的关系。接着，在仿真系统中，外接一个示波器XSC2测出负载电压如图4-10，图4-11所示：图4-10示波器XSC1接线示意图图4-11负载电压波形图由图4-11所示我们所给的负载电压的峰值已经接近40V，满足我们的设计要求。根据公式η=进行运算：Pη=174.8W÷200W=87.4%#由公式（4-3），我们可以得到此并联电容结构的E类放大器效率值为87.4％，得到了理想的效果。5总结与展望5.1研究总结本文完成了系统里面的模块设计与实现，主要的立足点也是在课题过程里面的设计思路与实现的方法，总结起来主要含有一下几个方面：（1）论述了功率放大器的应用背景与国内外研究现状，详述了并联电容结构的E类放大器系统的意义。（2）说明了并联电容结构的E类放大器的工作原理、系统特征，对比分析各种功率放大器的特点，选择合适的并联电容结构的E类放大器参数。（3）研究了基于multisim的硬件电路仿真软件。给出了并联电容结构的E类放大器的原理图，对每个参数做了简要说明。选取了几个不同数值的电容并建立了仿真模型，比较它们对波形的影响并进行分析。5.2研究展望含有并联电容结构的E类放大器的基本结构虽然已经提出了多年，然后这个仅由数个元件组成的电路仍然得到许多研究者的关注。尽管关于并联电容结构的E类放大器电路设计的理论已经比较成熟，而且在工程上也已经得到广泛应用然而对于如何适应负载或者其它电路参数变化以保证高效功率转换的理论还在发展之中。通过推广阻抗概念，把并联电容结构的E类放大器电路作为特殊的阻抗网络分析是一种新颖的分析方法。未来可以在这个理论的基础上继续得出更多并联电容结构的E类放大器电路的内在关系。本文从电路、原理是上设计了并联电容结构的E类放大器，实现了功率放大等基本信息等基本功能。从原理上进行了论述，在电路上进行了一定的验证，并且结合multisim仿真软件，进行了相关仿真分析。但是对于开关管的控制上，元器件的选型上、节能控制、是否可以更加人性化，还有待在后期工作中，可以通过产品的制作来验证本文思想。参考文献高葆新,梁春广.高效率E类放大器(续)[J].半导体技术,2001,026(010):58-61.李均锋,廖承林,王丽芳.基于E类放大器的中距离无线能量传输系统[J].电工技术学报,2014,29(9):7-11.刘平,曾波.E类放大电路中晶体管的功率损耗[J].现代电子技术,2007(16):178-180+183.梁俊睿.E类放大器原理及其在经皮能量传输应用中的研究[D].上海交通大学.曹伟炯,孙文宾.高效率E类放大器的一种调整方法[J].南京航空航天大学学报,1990.丹尼尔·林肯,保罗·班尼特.具有感性箝位电路的e类放大器:CN.胡长阳.D类和E类开关模式功率放大器[M].高等教育出版社,1985.高镇,于广强,刘宁.基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统设计[J].河海大学学报(自然科学版),2019(6).张敏,张元良,李瑞品.基于E类功率放大器的双频超声治疗系统研究[J].医疗卫生装备,2019,040(006):16-20.王晓蕾,叶坤,王月恒,等.一种55nmCMOS5GHz高效E类射频功率放大器[J