防空警报专用D类功放模块的设计

1、机机电电工工程程技技术术 20112011 年年第第 4040 卷卷第第 0303 期期研究与开发防空警 用 D 功放模 的 何 波， 任 豪， 毕 君， 宇 ， 潘俊峰（广州市光机 技 研究院 广 省 代控制与光机 技 公共 室，广 广州510663）摘要： 防空警 的 D 放大器， 既能提供高效率大功率又能 高保真的音 性能。 述了各种功率放大器的原理和特点，并 比分析各自的 缺点， 在此基 上提出了所研究的基于 CMOS 构的 D 音 功率放大器， 并 介 了其工作原理； 并 出了一千瓦的高效率 D 音 功率放大器。 关 ： D 类； 音 功放； 防空警 ； 高效率中 分 号： TN7文

2、献 ： A文章 号： 10099492 (2011) 030091051 引言防空警 器 端 是人防警 系 中的重要部分，它是一种 音信号 放 ， 布音响警 信号， 提示人 及 疏散， 其中大功率功放技术是该设备中的核心技术， 随着 代 子技 的不断 展， 功率放大 路也得到了 速的 展和 用。 特 是半 体技 的 步， 使功率放大 路向模 化、 小型化、 集成化的方向不断 展。 线性放大器， 其效率普遍不高， 通常 AB 放大器的效率不会超 60。 D 功放属于非 性功率放大器， 它的特点是， 出 MOS 管工作于相 开关状 ， 功率放大器效率有极大提高。 采用 D 开关放大 路可明 提高功

3、放的效率。 将音 信号 度随信号幅度变化的高频脉冲，控制功率 MOS 管以相应的频率 和 通或截止， 功率管 出的信号 低通 波器 声器 声。 因功率管大部分 于 和 通和截止状 ， 功率 耗很小， 其效率可达 90以上。 种高效的数字功放技 的 用 著提高了警 器的音响性能， 使得警 信号的分 更高， 更具震撼力， 覆盖范 更大， 更有力地保障人民的生命 安全。2 系 方案21 D 功放原理 在所使用的 D 放大器有收稿日期： 20101026很多种 制拓扑 构， 最常用的拓扑结构是带有三角波（或者 波） 振 器的脉冲 度 制 （PWM）。 基本 成 构如 1 所示。工作原理是： 基于 Ny

4、quist 采 定理， 采用脉 制（PWM） 方式 放大的 入信号 行采 ， 变换所 生的数字信号的脉 与 采 点信号的幅 按一定关系 化， 再以此数字信号来 功率开关晶体管， 使之 生具有 出功率的 脉 数字信号， 然后 波器 原出功率放大后的模 信号。 实际 D 放大器存在着各种 性失真和非 性失真， 失真成分主要 入信号的 波成分和高 成分。 高 成分可以通 高 波器或 振回路图 1D 功放原理基本框 91研究与开 机机电电工工程程技技术术 20112011 年年第第 4040 卷卷第第 0303 期期来抑制， 而 入信号的谐波成分需通过负反馈回路来抑制。 图 1 示了基于 PWM 的

5、D 放大器模 ， 它包括脉冲 度 制器， 极 ， 两个 MOSFET 所构成的功率 出 ， 一个用来恢复放大的音 信号的 LC 低通 波器。功率输 出 级 的 P 沟道和 N 沟道的 MOSFET 交替 连 接到 VDD 或者 GND 而成 流 开关， 这样 D 放大器的 出就是一个 率 高的方波信号。 多数 D 放大器。 开关 率的典型 200kHz1MHz。 出的方波是由 入信号 行 制的， 把 入信号与三角波 (或者 波) 相比 而 生 PWM 信号。 当三角波振 器作 采 ， 种 制方式也被称 “自然采 ”。 当没有 入信号 ， 出波形的占空比 50。 采用自然采 双 制 PWM的 D

6、 放大器的原理框 如 2 所示， 明了所得到的 PWM 出波形随着 入信号的 化而 化。22 系 芯片 IRS2092国 整流器公司 （International Rectifier， 称 IR） 推出了采用 IRS2092 集成式音 器 IC 的芯片 ， 具有保 护 式脉 宽调 制 （ PWM） 开关和 IR 完整的数字音 频 MOSFET 等特性。 芯片 主要 从 50W1000W 的中高功率、 高性能 D 音 放大器 用。 新型芯片形成的 D 音 解决方案要比 AB 方案的面 更小。 例如，在 100W 的 应 用中 ， IRS2092 IC 和 IRF6645 DirectFET MO

7、SFET 可以减少 60 路板面 ， 也比典型材料表减少20的器件数量。 新的音 IC 基于半 和全 拓扑构架， 集成了 D 所需的四个基本功能， 其中包括 差放大器、 PWM 比 器、 极 器和 大的保 路。 因此， 款 凑型 16 引脚 IC 具有极高的抗噪性， 可以降低开始和 束 的破音， 同 极大地减少一些 如 保 等非常复 而又昂 的 工作。 IRS2092 的主要功能包括： 率可达 800kHz 的模 PWM 器、 具有自复位控制功能的可 程双向 流保 （OCP）、 欠 定保 （UVLO）， 以及可以 展功率 的可 程 置死区 等。该芯片还备有丰富的数字音频 MOSFET， 可满足

8、从50W 到 1000W 的 出功率。 作 IR 的 IRFI4x、 IRFB422x和 DirectFET 系列的一部分， 些 MOSFET 都 音 性能的关键参数进行了优化， 例如效率、 总谐波失真 (THD)和 磁干 （EMI）79。图 2原始音 信号脉 制 （PWM） 程示意 了从 出的 PWM 波形中提取放大了的音频信号，把大功率 PWM 波形中的声音信息 原出来， 需要 LC 低通 波器 （LPF） 如 3 所示。 不采用 RC 波是因 此 流很大， RC 构的低通 波器 阻会耗能， 不能采用， 必 使用 LC 低通 波器。 当占空比大于 11 的脉冲到来 ， c 的充 大于放 ，

9、 出 平上升； 窄脉冲到来 ， 放 ， 出 平下降， 正好与原音 信号的幅度 化相一致， 所以原音 信号被恢复出来， LC 无源低通 波器的 出等于方波的平均 。 另外， 低通 波图 3PWM 信号 原回模 音 信号示意 器阻止了高 开关能量被 阻消耗掉 16。92机机电电工工程程技技术术 20112011 年年第第 4040 卷卷第第 0303 期期研究与开发图 4D 功放 CHA 原理 3 系 （1） D 功放 考 的角度与 AB 功放完全不同。此 功放管的 性已没有太大意 ， 更重要的是开关响 和 和 降。 由于功放管 理的脉冲 率是音 信号的几十倍， 且要求保持良好的脉冲前后沿， 所以

10、管子的开关响 要好。 另外， 整机的效率全在于管子 和 降引起的管耗。 所以 和管 降小不但效率高， 功放管的散 构也能得到 化。 若干年前， 种高 大功率管的价格昂 ，在一定程度上限制了 D 功放的 展。 在小 流控制大 流的 MOSFET 已普遍运用于工 域， 特 是近年 UHCMOSFET 已在 HIFI 功放上 用， 器件的障碍已 消除。（ 2） 制 路也是 D 功放的一个特殊环节。 要把20kHz 以下的音 制成 PWM 信号， 三角波的 率至少要达到 200kHz。 率 低达到同 要求的 THD 准， 对无源 LC 低通 波器的元件要求就高， 构复 。 率高， 出波形的 小， 更加

11、接近原波形， THD 小， 而且可图 5D 功放 CHB 原理 93研究与开 机机电电工工程程技技术术 20112011 年年第第 4040 卷卷第第 0303 期期图 6保 路及前置反相 路以用低数 、 小体 和精度要求相 差一些的 感和 容来制成 波器， 造价相 降低。 但此 晶体管的开关 耗会随 率上升而上升， 无源器件中的高 耗、 射 肤效 都会使整机效率下降。 更高的 制 率 会出 射 干 ， 所以 制 率也不能高于 1mHz。（3） 三角波形的形状、 频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同， 从而产生失真。 所以要 高保真， 出现了很多与数字音响保真相同的

12、考 。 有一个与音质有很大关系的因数就是位于 出与 之间的无源滤波器。 该低通滤波器工作在大 流下， 负载就是音箱。 严格地讲， 设计时应把 阻抗的 化一起考虑进去。 实际证明， 当失真要求在 05以下 ， 用二 butterworth 最平坦响 低通 波器就能达到要求。 如要求更高则需用四阶滤波器， 这 成本和匹配等 都必须加以考虑， 可根据音质需要 匹配的低通 波器。如图 4 和图 5 所示， CHA， CHB 两路电路共同组成 BTL 推拉 路使得 出功率比 通道提高 2 至 4 倍， 音 信号由 RCA1 输 入与自激三角波信号比 较 后 输 入至 IRS2092 理， RCA2 入的

13、是与原始 入信号反相的音 信号， 两者在高端 HO 和低端 LO 出相位相反的方波，频 率 为 400KHZ， 输 入信号 为 0V 时 ， 输 出 为 占空比 为50的方波， 当 入信号 化 ， 出方波占空比 生 化， 从而驱动双组并联的 FET1， FET2， 功率管型号为IRFB4020， 出高 交 功率， 400KHZ 的 波信号被 L1, C12 成的低通 波器 除， 最 得到放大了的音 信号用来 大功率警 声器工作。图 6 所示 保 路和反相 路， 保 路具有欠 保 ， 保 ， 直流 出保 ， 保 功能， 保障了芯片和 MOS 管的运行安全。 原始信号 反相 路后得到相位偏差 18

14、0 度的信号 入到 CHB,使得后 推挽 出 1011。4 结论（1） 本功率放大器的技 参数 定功率： 1000W； 峰 功率： 1200W， 定 ： 48V， 入阻抗： 50k；输出阻抗： 216， 频率响应： 20Hz20kHz， 信噪比85db， 波失真08。具有 保 ： 72V， 保 ： 散 器温升至 95 时， 路 行关断， 短路保 ： 当 阻抗低于 05 (负 短路 )， 本 路即 入自保 的微功耗待机状 ， 在 阻抗高于 05 后， 本 路自 在 100ms 内恢复正常工作。（2） 警 器整机参数1） 定 出功率： 2000W （在 AC220V 状况下， 入1kHz 方波 出

15、最大功率 ）；2） 音 出功率： 1800W （在 AC220V 状况下， 入 1kHz 正弦波 出 性功率 ）；3） 效率 （ 出功率 入功率）： 90。D 功放的 使得警 系 性能得到很大的提高 ， 体 在外形 构小巧， 音响效果 著提高， 从而提高了 品在市 中的 争力。参考文献：l 朱高峰， 吴黎明， 王桂棠， 等 D 音 功率放大器的关 技94机机电电工工程程技技术术 20112011 年年第第 4040 卷卷第第 0303 期期研究与开发术 J 声学技 ， 2006， 25 （5）： 4524562 Nicholas Holland， Greg Hupp， Andy liang，

16、等 在便携式 用中使用 D 音 放大器 子与 路， 2005 （12）： 82843 Alsen kemp 著 坤 开关音 功率放大器 状 J 声技 ， 2001 （12）： 41454 Eric Gaalaas D 放大器背后的奥秘 EB OL wwwanalogeetchinacom5 李 英 D 音 功率放大器的研究与 J 代 子技 ， 2008， 31 （5）： 159161 6 刘长学， 王惠贞 D 类功放的交越失真 J 电声技术，2002 （7）： 5051 7 AlejandroOliva， Simon SAng， Thuy V VoA Multi l oopVoltageFee

17、dback Filterless ClassD Switching Audio Ampli-fier using Unipolar Pulse Width Modulation J IEEE Transactions Oil Consumer Electronics， 2004， 50 （1）： 3123188 Marco BerkhoutAn integrated 200W classD audio amplifier J IEEE Journal of SolidState Circuits， 2003， 38 （7）：119812059 Louis RNeroneA Mathematic

18、al Model of the Class D Convert-er for Compact Fluorescent Ballasts J IEEE Transactions on Power Electronics， 1995： 708713 10 Jun Honda， Jonathan AdamsClass D Audio Amplifier Ba-sicsInternational Rectifier EB OL wwwirfcom 2005 11 Jun Honda, Manuel Rodrguez, Wenduo Liu 25W 500W Scalable Output Power

19、Class D Audio Power Amplifier Ref-erence Design International Rectifier EB OL wwwirfcom 2008第一作者 介： 何 波， 男， 1982 年生， 江西人， 大学本科， 助理工程 。 研究 域： 子 路、 信息技 。 已 表 文 3 篇。(编辑：王智圣)!（上接第 66 页）（5）由 （4） 得出：（6）反 查 文献 2中附表 4 的标 准正态 分布得 R 099999999。5 化 分析从前文中可以看出， 在 有零件 构形式下， 外筒的可靠度 接近于 1， 零件 于安全， 保守。 从减重方向考 ， 根据 力

20、云 可 零件 行局部改 。图 4改 后的起落架外筒 力云 改 后的零件 力云 如 4 所示。图 4 中可以看出， 改 后的外筒在最 重工况下的最性 中， 解决了复 零件的应力在可靠性设计中的难大 力均 1030MPa， 没有超 材料 度均 ， 离散系点。数 258MPa。 代入 （4） 中得出：（2） 通 零件在不同状 下的可靠度 算， 以及零件的 力云 果， 可以 零件的 化 ， 有效 减重。参考文献：1 王小 某型 机主起外筒的 构 力分析 D 西安： 西反 查 文献 2 中附表 4 的 标 准正 态 分布得 R 北工 大学， 2008099992468。2 刘惟信 机械可靠性 M 北京：

21、 清 大学出版社，没有 化 之前， 外筒的 重量 946kg， 改 1996 后， 外筒的重量 923kg， 重量减 23kg， 减小比例3 金 ， 康达 可靠性工程 M 北京： 化学工 出版社， 2005为 243， 同 零件可靠度达到 099992468， 可以安全使用。第一作者 介： 王小 ， 男， 1978 年生， 西蒲城人， 士， 工6 结论程 。 研究 域： 起落架方案 及四性 。 已 表 文 7 篇。（1） 将有限元分析理 和技 用到机械 品的可靠(编辑：向 飞)95AbstractsNuclear and New Energy Technology, Tsinghua Univ

22、ersity, Beijing100084, China)Abstract: The whole processes of Y1201 peroration bullet explode and collapse shaped charge liner, jet flow penetration was simulated in finite element software AUTODYN. The JWL model was used for explosive detonation material. The failure criterion for penetrated materi

23、al was Von Mises criteria. The simulation gave the detail process of jet flow formation, velocity distribution of jet flow, the energy variation of shaped charge liner with time. The calculation showed that the penetration time was 16s, and the speed after penetration was 6300m/s, the kinetic energy

24、 of shaped charge liner varied with time, and reached the maximum 5.8107J at t=10s, then decreased to a stable value 4.2107J. The penetration time calculated by finite element software was same as that from experimental result. But the calculated jet speed was lower than that from the experiment.Key

25、 words: Perforation Bullet; explosive detonation; jet flow; finite element analysis11-03-88 Study on De-Noising for Partial Discharge Based on Wavelet TransformYANG Guo-hua, YONG Rong, LI Yi, YAO Qi, XIAO Long(School of Physics and Electrical Information, Ningxia University, Yinchuan750021, China)Ab

26、stract: Because of the strong interferences, such as discrete spectrum interferences (DSI), white noise and pulse-shaped interferences, it is still a difficult work to extract the partial discharge (PD) signal for transformer online monitoring techniques. Through study on the selection of threshold

27、value and mother wavelet, the wavelet-based de-noising method for partial discharge signals is proposed. Through some mother wavelet analysis and wavelet threshold de-noising based on MATLAB, the advantage of wavelet de-noising is demonstrated, de-noising effect is ideal.Key words: wavelet transform

28、; partial discharge; signal de-noising; threshold11-03-91 Class D Amplifier Design for Air Defense AlarmHE Xiao-bo, REN Hao, BI Jun, LUO Yu-qiang, PAN Jun-feng(Institute of OME Research Guangzhou, Modern Control and OMEPublic Lab,Guangzhou510663, China)Abstract: A Class D audio power amplifier for t

29、he alarm system of air defense, offering both high efficiency and high audio performance. After studying a large number of Chinese and foreign literature, the paper elaborates on the principles and characteristics of various power amplifiers and comparatively analyzes their strengths and weaknesses.

30、 On this basis Class D audio power amplifier based on the structure of CMOS is advanced in this paper. And its principles are elaborated. At last the 1kW class D amplifier of high power and higher efficiency has been designed.Key words: class D; audio amplifier; air defense alarm; high efficiency11-

31、03-96 Trouble Analysis of the Jungle Mouse Slips to Reverse DirectionWANG You-tao, LIU Xu, ZHU Rui,XIE Teng-fei(Jiangxi SpecialEquipment Inspection and Research Institute, Nanchang330096, China)Abstract: Non-return device is important safety device that placed in slip type amusement equipment. It an

32、alyzes the mechanics performance, component and structure of non-return device, in order to find out the root cause of the trouble that large scale amusement equipment jungle mouse slip to reverse direction. It provides the improvement suggestion for the trouble like this.Key words: amusement equipm

33、ent; jungle mouse; non-return device; safety device11-03-100 Two Kinds of Structure for Amorphous Alloy Dry-Type Transformer and Noise ControlZHAO Xiao-ying(SUNTEN Electric Equipment Co., Ltd, Shunde528300,China)Abstract: Two kinds of structure for amorphous alloy dry-type transformer are compared f

34、rom two ways of design and assembly. Some pieces of controlling noise measures are put forward.Key words: amorphous alloy; three phase five pillars; three phase three pillars; noise11-03-103 Structure and Design of RF Cable AssemblyDING Na(Guangzhou Amphenol Electronics communication Co., Ltd,Guangzhou510660, China)Abstract: It simply introduces the structure of RF cable assembly, and based on this, designs high shielded cable. Some improvements approaches for enhancing efficiency of RF cable assembly are introduced.Key words: RF cable assembly; high shielded; design11