当前位置: 首页 > >

D类功放开关电源的设计与实现

发布时间:

第1卷 1

第 1期 1

2 1 年 4月 01  













程 

Vo.1  No 1 Ap . 01  1 1 .1   r2 1

1 7 一 1 1 ( 0 1 1 —4 3 0   6 l 8 5 2 1 ) 12 8 —6

S inc   c n o y a d En i ei g ce e Te h olg   n   gne rn  



2 1 SiT c. nn. 0  c eh E g g 1   .  

机 电技 术 

D类 功 放开 关 电源 的设 计 与 实现 
史延 东 王 泊 洋    宁  飞 
( 北 工 业 大 学 , 安 70 7 ) 西 西 10 2 



要  介绍 了一种具有变频启动功能 、 可驱 动超 大电容负载 的功放 开关 电源 ; 同时在前 级添加 了有源 P C F 。另外为 了更好 

地 辅 助 硬 件 电路 参 数 的 设 计 , 分 别 针 对 P C及 功 放 电源 两 部 分 进 行 了 Ppc 还 F sie电路 仿 真 。仿 真 及 实验 结果 表 明 : 种 功 放 开  这 关 电源 可 以稳 定 推 动 4万  F大 电容 负载 , 而前 级 的 P C环 节 功 率 因数 * 乎 为 1 且 总谐 波 失 真 度 小 于 3 。 F , %  

关键词

功放开关 电源  T 6. ; M54 2 

大 电容负载

PC F 

P pc si e仿真 

中 图法分类号

文献标 志码

A 

开关 电源虽然 有 无 可 比拟 的优 点 , 在 音 响 功  但 率 放大 器 中的 应 用 却 不 尽 人 意 。究 其 原 因 : 先 , 首   是 可靠性欠 佳 , 之价 格 偏 高 ; 次 , 开 关 电源 的  加 其 是 纹 波干扰 和 反 应 速 度 对 音 质 也 有 影 响 。 因为 开 关 
电源工作 在 矩 形 脉 冲状 态 , 谐 波 分 量 频 谱 极 宽 , 其  
2 1 D 类 功放专 用开 关 电源 的特 点  . 

1 D类功放开关 电源 简介   

D类 功放 , 即数 字功放 , 功率 管 的驱动 信号 是  其 由信 号源 与锯齿 波 信 号 比较 得 到 , 其 工作 电流 则  而
由前级 的功 放 电源 提供 , 1 是 典 型 的功 放 电源  图 便
的组成 示 意图 。  

要 消除空 间 电磁 场 辐 射 和输 出 电 路 中残 余 纹 波 比 
较 困难  。   D类 功放 电源 与一 般 的开关 电源相 比最大 的不  同之处在 于功放 电源 的滤 波 电容一般 非常 大 , 以达  可 到几万甚至几 十万  。这种情 况下一 般 的开关 电源 

由于其输 出电流所限 , 无法快速 地使得输 出电压 建立 
起 来 。而本文 中提 出 了变频 启 动 的方 案 有效 地 解决 

了这个问题 。另一 方 面 , 了提 高 整 个 电子 整 流 器  为 的功率 因数 , 应 高 要 求 的工 作 场 合 , 少 对 电 网  适 减

的污染 , 常需要 结 合 功 率 因数 校 正 环 节 。本 文 中  通
采 用 的是 基 于 I 15 R   0的有 源 功率 因数校 正 电路 , 1 这 


款芯 片采用 的是 单 周 期 控制 技 术 , 因此 动 态 响应 

图 1 功放 开关 电源 基本 构 成 图   

迅 速 , 出稳定 , 正 后 的功率 因数 可 达 到 0 9 输 校 .9以 

上 。下 面首先 介绍 功放 开关 电源 的设计 。  
2 1 年 1月 1 日收 到  01 9 第 一 作 者 简 介 : 延 东 ( 9 2 ), , 西 西 安 人 , 究 生 导 师 , 史 16 一 男 陕 研 副  教 授 , 究 方 向 : 式 识 别 , 关 电 源 技术 , 研 模 开 电声 技 术 等 。   通 信 作 者 简 介 : 洋 (9 6 ) 男 , 西 西 安 人 , 士 研究 生 , 王泊 18 一 , 陕 硕 研 
究 方向: 电力 电子 与 电力传 动 。  

D类 功放 用 电源 与普 通开 关 电源 主电路 结构 是  相 同的 , 同之处 在 于 功 放 电 源 的滤 波 电容较 普 通  不 电源要 大很 多 , 是 因为 功放 电源 的滤 波 电容 不 仅  这 仅 只起 到 滤波 的作用 , 它还 有一 些其 他作用 :  
( )根 据 电容 “ 1 隔直通 交 ” 的特 性 , 大 的滤 波  较

电容可 以有 效滤 掉交 流 信 号 , 得 电压 波形 更 为*  使
滑 。更 为重 要 的是 这 些 交 流 干 扰 信 号 如 果 不 经 滤 













程 

1 卷  1

除, 给后级 的功放 引入干扰 , 严重 时甚 至影响音 质 。  

过程 又是十分 缓慢 的 , 并且 充 电时 的 冲击 电流 也 非  常大 , 普通 电源根 本无 法 承 受如 此 巨大 的 电流 。本  文 中采 用 的变频 启动 可 以很 好地解决 这一 问题 。  

( )出于对声 音 音 色 的要 求 , 同频 段 的信 号  2 不 源 可能需要 功放输 出不 同 的功率 , 时 需要 电源 瞬  有 时 提供大 电流 。这 就 需 要 滤 波 电容 足 够 大 以 保 证 
电流输 出同时 电压 的*稳 。  

2 D类功放开关 电源的主电路设计   
2 1 半桥 式逆 变的主 电路结构  .

( )为 音频信 号 提供 通 路 , 3 只有 滤 波 电容 足 够  大 , 寄生 电感 足 够 小 时 , 其 音频 信 号 中 的 高频 信 号 
才 能通过 , 得 经 过 功 放 后 的 音 质 及 音 色 得 以保  使 证 。因此功 放 滤 波 电 容 应 当 采 用小 电 容 并联 的方  式 以减 小寄生 电感 的影 响 。   但 是如 此 之 大 的 滤 波 电容 在 电 源启 动 时充 电  主电路部分 采用 半 桥 式逆 变 电路 , 对 上 文提  针

到 的上 电 时 的 冲 击 电流 大 的 问 题 , 荡 器 选 择 了  振 I 2 5 。图 2即是基 于这一 款芯 片的半桥式 逆 变 以  R 16
及 整流滤 波 电路 图 。  

Cvc  cl

T  

图 2 基 于 I2 5 R 16的半 桥 式 逆 变 及整 流 滤 波 电 路 

I25 R 16本是 一款荧 光灯 专用 的驱动 芯 片 , 是  但
由于荧光 灯点亮 过程 中一样 需 要通 过 很 大 电流 , 因 

容 的充 电过程 , 电压迅速 升高到稳 定工作 电压 。 使   另外 , 据 不 同 的 负 载 ,R 1 6的 高频 启 动 时  根 I2 5 间可 以通过 C  。 电容 的取值来 改变 。   22 1 25 .  1 1 6高频启 动过 程的仿真  1 为 了更好 地指 导硬 件 电路 的设计 , 文 使 用 内  本 嵌 P pe 模 型 的 Oed电力 电子 仿真软件 对 I 2 5   si e ra R 16 的高频启 动 推动 大 电容 负 载 的 工作 状 态 进行 了仿 
真验证 。仿真 原理 图 如 图 2在 D / C开关 电源 的  CD

此 I2 5 R 16非 常适合 驱 动功 放 开关 电源 。I2 5 R 1 6最  大的特点 在 于 : 过外 部 电路参 数 的 配置 可 以设 定  通 启 动时 的工作频 率 以及 维持 的时 间 , 而在 启 动完 成  时则工作 在另一 频 率  。依 据 这 一功 能 , 用高 频  采 启 动就可 以安全 迅速* 动 , 体原理 如下 : 具   假定 高频启 动 时功 率 管 开 关 频 率 为 20 k z 0  H ,   正常工作 时频率 为 5   H , 下 桥死 区时 间 为 5 0 0k z上 0  n 。那 么 2 0k z s 0  H 时实 际 占空 比为 4 % ,0 k z 0 5   H 时 

应用 中, 出 负载 端 外 接 电容 能 起 到 滤 波 、 制 干  输 抑 扰 的作用 , 在某 些 大容 性 负 载 动态 跳 变 的设 备 中 ,   要求 电源输 出端 有 快速 响 应 , 就要求 开关 电源有  这 较强 的带容 性 负 载 的能 力 , 且 有 好 的稳 定 性 能 。 并   传统 的开关 电源振荡 频率 是 恒定 不变 的 , I2 5   而 R 16 却具 有频率可 调 的高频 启 动过 程 , 一 点使 得 基于  这 I2 5 R 1 6的开关 电源具 有带 大电容 负载的能力 。  

实际 占空 比为 4 . % 。 因此 在 高频 启 动 的过 程 中  75
滤 波 电容 上所加 电压 要小 于 稳 定工 作 时 的 电压 , 而 

电容充 电 时 的 冲击 电 流 也 因此 减 小 。而 当工 作 频  率 由 2 0k 向 5   H 滑动 时 , 0  Hz 0k z 电容充 电 电流虽 然  还会 增加 , 已经不 会 形 成 冲击 , 倒 可 以 加 快 电  但 反

1 期  1

史 延 东 , : 功 放 开 关 电源 的设 计 与 实 现   等 D类

2 8  45

DST 2 M   vj  n

图 3 12 5 主 电路 的仿 真 原 理 图    1 16及 1

28   46













程 

图 3是 在 O cd中构 建 的 I2 5 ra R 16内部 原 理 仿 

’ 



__ J l镑     ii l。  _

真及 半桥逆 变仿 真 电路 图 , 中用 理 想 开 关模 型 s 其   代替 了芯 片 内部 实 现 开 关 功 能 的 三 极 管 。 电路 参  数设置 如 下 : 动 开* 率 1 0k z 稳 定工作 开 关  启 6 H , 频率 5  H , 0 k z设定 输 出电压 7   功率 2 0W , 载  0V, 0  负
电容 4  0   F 启 动时问 6 0 m 。 00 0 t , x 0   s 
一  

/ -  
…  


广 一
…   …  

_ 翌曩蓦    篙 
。 。、 … …   …  

~—蕊

建  
~  

l  

5O .0V  10 0V  .0

Ti   0 . me5 0 0ms  

图 6 输 出电压建立过程   
0V 

10 0V  .0 , 4 4 V  .6 0ms  

3 P C部分的设计与实现    F
1 0m s 2 0ms O   0   3 0m s 4 0ms 5 0ms 0   0   0  

由于 功放 电源 的容 性 负载 , 给 电 网注入 大 量  会

图 4 I2 5   R 16电流 采 样 端 仿 真 采样 波 形 

的高次谐 波 , 致 电 网 侧 的功 率 因数 很 低 , 导 同时 对  电 网的 其 他 电气 设 备 造 成 严 重 的 谐 波 污 染 和 干  扰  。在 电源 的前 级添加 P C电路 可 以大 幅增 加  F
功率 因数 , 特别是 有源 P C电路 校正 后 的功 率 因数  F

从 图 4可 以看 出 , 和设想 的一样 , 样 高频 启动  采 的工作方 式 , 启 动 瞬 间 的 冲击 电流 并 不 是 很 大 , 在   频率变 动 的过 程 中 电流 也 随着 上 升但 并 没 有 超 出  设计 的保 护值 。  
23 实验 结果及 结论  .

接 *于一 。本文 中采用 的是 基 于 I 司 的 P C专  R公 F 用 芯片 I 15 R   0的有源 P C 下 面将详 细它 的介绍设  1 F,
计 与实现 。  
3 1 I l 0的 工作原 理  .  Rl 5

在仿 真 的基 础 上 , 行 了实 际 硬 件 的 调 试 , 进 结  果基 本与仿 真一 致 , 5是 电 流采 样 电 阻两 端 的波  图
形 , 6是 7  图 0V输 出 电压 建立 的过程 , 立 过程 中  建

II5 R   0控制策 略采用 的是 单 周期 控 制技 术 , 1 即 
依据 输入 电 流采 样 反 馈 信 号 和 输 出 电压 采 样 反馈 

第 一个 “ 台阶 ” 是 由于前 文 提 出 的高频 启动 引 出 的  , 低 电压启 动 。第二 个 “ 台阶 ” 是 由于 前级 P C采 取  , F 的是 后供 电的策 略 , 导致 的电压 在 P C工作 后进 一  F
步升高 。  

信号 准 确 快 速 地 调 节 每 个 开关 周 期 的 开 通 时 间 。   图 7即是典 型的单周 期控 制 的 B otF os C电路 , 出  P 输 电压 反馈 回来 后经 过 P 调节 器 , 通过 带有 复位 开  I 再 关 的积分 电路 , 形 成 上 升斜 率 不 同 的锯 齿 波 , 便 与  电感 电流采样 信号 比较 , 后输 出脉宽 可调 的 P   最 WM 波 。在反馈 的过程 中 , 种反 馈 信 号分 别作 用 在 不  两 同方 面 , 电压 反馈 信 号 决 定 了锯 齿 波 的斜 率 , 即决  定了 P WM波 占空 比的一 个基 值 , 而 调 节 输 出电  进

压使 其稳定 。 电流 反馈信 号 则对 P WM 占空 比进行 

了细调, 以保证输 入 电流 畸变 时对 波形的 即时修 
正 , 而降低 输入 电流 的总谐波失 真度 。 从  
~   一  

M    ~   l Om s 一 O      “

图 5 电 流采 样 波 形 图 

1 期  1

史 延 东 , : 功 放 开 关 电源 的设 计 与 实 现   等 D类

样 电阻 00 5Q, .7  电压采 样 电阻 1 1, 出滤波 电容  2k 输 ) 30 p , 出功率 4 0W。仿 真结 果见 图 8和图 9   0  , 输 F 0  。

图 8 输 入 电 压及 电 流 仿 真 波 形  图 7 典 型 单 周 期 B ot P C电 路  os型 F
5 0V  0

3 2 单周期 控 制技术 分析  .

40 0V  3 0V  0
20 V   0

无 论采用 任何 的控 制 策 略 , F P C最终 的 目的是 
要 实现 输人 电流 , 与输 入 电压  同相 位并 对应 成   

比例 , 即 
VN I RN l= i l N   () 1 

l 0V  O

图 9 P C输 出电压仿真 波形    F


V ( 一口) o 1  

() 2 

3 4 实验结 果及 结论  .

合并 式 ( ) 1 与式 ( ) 得 : 2可  
, RN=V u( II N o 1一D) T   () 3 

实 际硬 件 电路 的各 项 参 数 与 仿 真 中 的参 数 相  * 。实 验结果 与 仿 真 结 果 也 基 本 吻 合 。输 入 电 流  波形 如 图 1 示 , 率 因 数 达 到 0 9 。总谐 波失  0所 功 .9 真度 小 于 1 。 %  

式() 3 两边 同乘 以输入 电流采样 电阻 尺 ,   可得 :  
:   :V ( s 1_D) () 4 

式() 4 中  是 电流 采样 电压 值 。   如果输 出电容足 够大 , 么  可认 为是 在一 个 周期  那
内恒定 的 , 上式 两边 同时积分 , 对 可得 :  
1  

R = 一 J V tt s   寺0 s)  ,   (d D
由式 ( ) 5 便可 以构造 出 O C的控 制方程 : C  
1 r     DT

(  5 )
CH 15v/ i     dv T m e5 ms d v i    / i 

V—s  寺0 s)  s R  JVtt , w   (d
因此 得 出了 图 7所示 的反 馈控 制环 节 。   3 3 基 于 I lS . R l0的 P C仿 真  F

(  6 )
4 结论 

图 1   输 入 电 流 波 形  0

只需 要 比较等 式两 端 就 可 以得 到所 需 的 占空 比, 也 

同样使 用 Ocd仿 真 软 件 , 真 电路 主要 参 数  ra 仿
如下 : os 电感 1 3 m 开关 频 率 5   H , B ot .  H, 0 k z 电流采 

本 文设 计 了一种 应 用 于 D类 功放 的带 有 P C F 

( 下转 第 2 9 4 1页 )  

1 期  1

邱 景 辉 , : 种 短 波 天 线 小 型 化 设 计 方 案  等 一

2 9  41

A  e ho   o   i i t r z to   f S r wa e An e na M t d f r M n a u i a i n o   ho t v   t n  

Q U J gh i L ) a — ig L  a — i I  i —u , t Y nm n , I of  n G e
( c o l fEe t nc  n  nom t n E g e r g abn Is tt o  e h o g , r i 1 0 0 , . . hn ) S h o o  lc o is dIfr ai   n i e n ,H r i n tue f c n l y Habn 5 0 1 P R C ia    r a o n i   i   T o  

[ src ] A m t dfr na r ai  f hr aea t n si pooe .A mii u zdso w v  nen   Abta t     e o     i u zt no  ot v  n n a s rp sd   na r e h r aea t a h o mi ti o s w e   ti t n
whih wo k   tt e b n   f3 l   c   r s a h   a d o  ~ 5 MHz,b s d o   i o e a e n a e   n d p l  ntn a,wih t p—u e   o o e t  o o n  o d n   t o l mp d c mp n n sc mp u d la i g sr c u e i  e i n d,t e   o i e   l — ec l sr cu e i  h s n f r o t zn tu t r s d sg e h n c mb n d mut h ia  t tr   s c o e  o   p i i g. Th   n e n   a   o a sz   i u mi e a t n a h s g t   ie
s o e o     ×2 m ×2 m . S mu ae   y t e c m me ca  ot r  ir wa e Stdi@ o   T  r o ai n t e tt l c p   f2 m     i l td b   h   o r ils fwa e M co v   u o fCS Co p rto h   oa 


e ce c   ft e a tn a i  b v 一2   B i he wh l  ~ 1   H zb n i f in y o  h   n e n  sa o e 0 d   n t   oe 3 5M   a d. Th s a t n a ha  o h   d a t g so   i  n e n   s g tt e a v n a e   f

s l  ie,smp e sr c u e a d h g   f ce c   n   O o malsz i l  t t r  n   i h e i n y a d S   n.I s a p ia l  n t e feds o   r a c si u i t i  p lc b e i  h   l   fb o d a t i ng,e vr n— n io  
me tm o io n n  n tr g,r d rd t ci   n   O o   i a a   e e tng a d S   n.

[ ywod ] m na r ai   Ke  r s  ii u zt n ti o

sot aeatn a h r v ne n  w

l dn  o ig a

hl a s cue e cl t tr i  r u  

( 上接 第 2 8 4 7页)   的半桥 式开关 电源 , 重点 针 对 功 放 开关 电源 输 出滤  波 电容 大 的特 点 , 计 了变 频 启 动 的 工 作 方 式 , 设 较 
2 陈 熹, 李  明.新型 电子 镇流 器 控制 芯片.电源技 术 应用.  
2 0 ; ( ):9 —4 o 0258 36 0 

普通 电源有输 出 电压 纹 波小 , 出 电压 建 立 时 间短  输 等诸 多优 点 。  

1 周

3 王 玉峰 ,   肖永 江 .单 相 B O T功 率 因数 校 正 主 电路 模 型 的 建 立 . OS  

电气传动 自动化 . 0 2 2 1 :4 6 2 0 ; 4( ) 3 —3  
4 朱 锋 , 春 英 .单 周 期 控 制 B ot F 龚 os P C变 换 器 分 析 与 设 计 .电   





献 

力 电子 技 术 , 0 7; 1 1 :1o 12 2 0 4 ( ) 0 一 0 

5 张 占松 , 宣 三 . 关 电 源 的 原 理 及 设 计 . 京 : 子 工 业 出 版  蔡 开 北 电 虎 .开 关 功 放 电源 的研 究 .成 都 : 南 交 通 大 学 研 究 生学 位   西
社 .9 8 19  

论 文, 07 2 0 

De in  n   m p e e to   a sD  we   sg a d I lm n   fCl s  Po r Am pl e   M PS f r S pe   p ct r i rS i f     u r Ca a io   o

S   ndn HIYa — o g,W ANG  — a g , NI Bo y n   NG  i Fe 
( otw s r  o tc nc l nv r t , i a , 1 0 2 P R. hn ) N r e t nP l eh i   iesy x ’ n 7 0 7 , . C ia   h e y aU i

[ b tat  A S S S i hMo eP w rS p l) r r igsp r aa i rwt f q e c-l rbes r p i A s c]  MP ( w t   d  o e u py f  i n u e  p c o  i  r u nya eal t t  s r c o dv c t h e t   au  
p e e t d,Me n ie a po rf co   o r ci n l c td a e d o   rsne a wh l    we  a tr c re t   o a e   h a   fSMPS i  lo p e e t d.I   d iin t  ie tt e o  S as   r s n e n a d to  o d r c h  
de in o   a d r   et r i lto   rPFC a d P we   sg   fh r wa e b t .smu ai n f   e o   n   o rAmpl e   a e   n Ps ie M o e  a   e  a e i rb s d o   p c   d lh sbe n t k n T  e  i f he r -


s h  fsmu ain a d e p rme ts o t a h   MPS p e e td i  a b e t  iv   a a i v  o d t   o rf co   u o  i lto   n   x e i n  h w h tt e S   r s n e  sc pa l odr ec p ct el a i hep we  a t r


i  p o i t  o 1 a d THD  sb l w  s a prx ma e t   n   i  el 3% . o  

[ yw rs  S Sf  o e m l e  Ke  od ] MP  r w r pi r o p a f i

spr aaiv  a  u e cpciel d   t o

PC F 

Ppc  sie




友情链接: