丁冠叢
摘 要:文章分析了新型單周非線性PWM控制開關(guān)功率放大器的延時(shí)問(wèn)題和因?yàn)檠訒r(shí)而引發(fā)的直流偏置問(wèn)題,作者提出了電壓補(bǔ)償解決方案,并給出了補(bǔ)償電壓的計(jì)算公式。從補(bǔ)償前后的系統(tǒng)仿真結(jié)果的比較中可以看出,電壓補(bǔ)償方案有效地消除了延時(shí)問(wèn)題,而且還改善了功率放大器的總諧波畸變率(THD),驗(yàn)證了理論分析的正確性。
關(guān)鍵詞:功率放大器;單周控制;全橋;PWM;THD
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.204
本文主要分析了完善后的單周控制開關(guān)功率放大器和其存在的直流偏置問(wèn)題及其原因,最后提出了電壓補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方案并對(duì)補(bǔ)償前后的放大器進(jìn)行了仿真研究。
1 單周控制技術(shù)
單周控制理論已經(jīng)成功應(yīng)用在了開關(guān)音頻功率放大器中。開關(guān)音頻功率放大器由比較器、RS觸發(fā)器和帶復(fù)位功能的積分器組成,具有下面三個(gè)突出的特點(diǎn):
(1)單周控制使開關(guān)變量在一個(gè)開關(guān)周期中精確地跟蹤參考信號(hào),動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,系統(tǒng)性能主要由輸出濾波器決定。(2)單周控制能有效地消除電源紋波干擾,不需要高精度的直流電源,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng),降低成本。(3)單周控制自動(dòng)地更正功率開關(guān)的暫態(tài)誤差和導(dǎo)通誤差,因此不需要開關(guān)元件的精確配對(duì),輸出沒(méi)有交越失真,能得到很高的線性度。
雖說(shuō)單周控制的開關(guān)功率放大器具有許多優(yōu)點(diǎn),但考慮到其提出時(shí)間很短,確實(shí)還存在許多沒(méi)有解決的問(wèn)題。并且,單周控制的開關(guān)功率放大器還需要快速?gòu)?fù)位積分器,增加了其設(shè)計(jì)成本。
2 經(jīng)典的單周控制技術(shù)原理
非線性大信號(hào)PWM控制理論是一種模擬PWM的控制技術(shù),也被稱為經(jīng)典單周控制技術(shù)。它在90年代初被發(fā)展起來(lái),是通過(guò)控制占空比,使每個(gè)開關(guān)周期中開關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量。因此,經(jīng)典單周控制的開關(guān)功率放大器具有以下三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):
(1)開關(guān)變量在一個(gè)開關(guān)周期中的平均值與參考信號(hào)成線性關(guān)系,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能由輸出濾波器決定。(2)經(jīng)典單周控制方法能在每個(gè)開關(guān)周期中有效地消除電源紋波干擾,因此其不要求直流電源需要高精度,并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(3)經(jīng)典單周控制在每個(gè)開關(guān)周期中都能精確地使開關(guān)變量的平均值跟隨參考信號(hào),自動(dòng)更正開關(guān)誤差,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。
3 基于新型單周控制技術(shù)的開關(guān)功率放大器
新型單周控制技術(shù)的開關(guān)功率放大器,主電路部分包括了交流電源、整流橋、開關(guān)、電感和電容構(gòu)成的濾波器等??刂齐娐凡糠种饕◣?fù)位開關(guān)的積分器、比較器、RS觸發(fā)器等。其工作原理是:在每個(gè)開關(guān)周期中,使開關(guān)變量和控制參考信號(hào)之間的誤差為零,并以此來(lái)獲得經(jīng)典單周控制技術(shù)的控制效果,同時(shí)在每個(gè)周期內(nèi)調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間使開關(guān)頻率接近恒定以此來(lái)改善開關(guān)功率放大器的性能。在狀態(tài)S1周期中,當(dāng)滿足兩個(gè)電路電壓相同時(shí),整個(gè)放大器系統(tǒng)就會(huì)從關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)入閉合狀態(tài)。在狀態(tài)使周期中,COMP的輸出會(huì)從低電平變化到高電平,控制輸入的開關(guān)導(dǎo)通,控制觸發(fā)器的開關(guān)關(guān)閉,此時(shí)積分器的電壓達(dá)到一定值就恢復(fù)位產(chǎn)生復(fù)位脈沖從而實(shí)現(xiàn)放大器的單周循環(huán)。單周循環(huán)放大器主要是控制不同的開關(guān)來(lái)改變不同位置的電壓,積分器就會(huì)產(chǎn)生不同的電位差,從某個(gè)狀態(tài)進(jìn)入另一個(gè)狀態(tài),積分器也會(huì)隨之進(jìn)行變化達(dá)到放大器的功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論控制變量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值與出入電壓呈正相關(guān)的趨勢(shì),相位卻是完全相反的。濾波器的性能對(duì)放大器的功率影響是非常大的,其他參數(shù)對(duì)放大器的功率影響幾乎可以忽略不計(jì)。
4 直流偏置分析及補(bǔ)償
功率放大器在實(shí)際工作中還會(huì)受窄脈沖的影響,前面的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)為了方便忽略了窄脈沖因素,實(shí)驗(yàn)環(huán)境是窄脈沖理想化的條件,還應(yīng)該考慮窄脈沖對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,把窄脈沖因素加之進(jìn)去,因此對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作直流偏置分析以及補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)是非常要必要的,這樣才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效可靠。
首先必須削弱產(chǎn)生的復(fù)位脈沖信號(hào)造成的對(duì)整個(gè)電路直流偏執(zhí)的影響,為此引入補(bǔ)償電壓、削弱直流偏置的方法,但是實(shí)驗(yàn)環(huán)境一定要確保變量統(tǒng)一,在整個(gè)電路的同向段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)發(fā)現(xiàn),實(shí)際得出的輸出電壓要小于理論值,可見復(fù)位信號(hào)引起的支流偏差在放大器實(shí)際工作中還是有一定的影響,盡管影響不是很大。通過(guò)補(bǔ)償電壓的方法保證了兩個(gè)比較器兩端的輸出電壓相同,經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)復(fù)位脈沖信號(hào)引起的直流偏差部分成功被抵消掉,成功地消弱了直流偏置的問(wèn)題,這對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)有重大的意義。
5 仿真研究
通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們?nèi)〉昧藭簳r(shí)的成功,為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性、可行性,有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步地進(jìn)行仿真研究和認(rèn)證。仿真實(shí)驗(yàn)在精密的SIMULINK儀器上進(jìn)行,這臺(tái)儀器的精密程度完全可以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及降低最小的誤差,從而幫助整個(gè)實(shí)驗(yàn)成功完成,達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的和意義。首先要在仿真儀器上設(shè)置好仿真電路的各項(xiàng)參數(shù),包含:電源電壓、偏置電壓、開關(guān)頻率、電感、電容、濾波器的截止頻率、電阻值、等等一系列涉及的參數(shù)值,在保證輸入信號(hào)相同的情況下,做了多組數(shù)據(jù)仿真了補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的電路。
仿真結(jié)果證明通過(guò)電壓補(bǔ)償,輸出信號(hào)可以更好地跟蹤信號(hào)輸入信號(hào),兩者之間成線性關(guān)系變化,相位差相差160度,這很有力地說(shuō)明電壓補(bǔ)償成功有效地消除了偏置電流的影響,解決了實(shí)際工作中電流偏置帶來(lái)的多于消耗,可以有效地改善功率放大器實(shí)際工作環(huán)境,提升功率放大器的性能,新型功率放大器遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的放大器。而且通過(guò)波形圖發(fā)現(xiàn),補(bǔ)償前存在很大的諧波,而補(bǔ)償后諧波、紋波基本消失,補(bǔ)償前電流偏置造成的信號(hào)失真現(xiàn)象也消失了,補(bǔ)償后的保真度非常高,效果非常好,仿真結(jié)果很成功,這對(duì)功率放大器的改進(jìn)有重要的參考價(jià)值。
6 結(jié)語(yǔ)
綜上所述,本文經(jīng)過(guò)縝密的實(shí)驗(yàn)研究了基于新型單周控制的開關(guān)功率放大器,通過(guò)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)作出了精確地推導(dǎo)計(jì)算得出了可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,解決了延時(shí)問(wèn)題和電流偏置問(wèn)題,通話過(guò)電壓補(bǔ)償方案進(jìn)行了仿真論證,證明電壓補(bǔ)償可以有效地解決單周控制開關(guān)放大器的電流偏差,改善了開關(guān)放大器的性能,肯定了理論分析的正確性。
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