專利名稱：壓控開關電源式d(丁)類功率放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要用于電子類的音頻功率放大領域，也可用于輸出電壓隨輸入電壓變化的壓控開關電源。
現(xiàn)有的音頻功率放大器，按照電流導通角的不同，一般都工作在A(甲)類，B(乙)類，AB(甲乙)類3種工作狀態(tài)，這些類型的功放存在效率低下，體積龐大，成本較高的缺點。
近年來，隨著高頻功率開關器件和開關變流理論的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了使電子器件工作在開關狀態(tài)的D(丁)類音頻功率放大器，它經歷了一定的發(fā)展，已取得很大的進步，但還有很多問題需要克服。從現(xiàn)有的資料來看，D類功放大多都是“穩(wěn)壓電源”+“開關功率放大器”的模式，分為電源部分和功放部分，具有兩個相對獨立的反饋環(huán)。雖然后級D類放大的高效率問題得到了一定的解決，但穩(wěn)壓電源的帶負載能力與后級功放的匹配問題沒有得到很好的解決。由于反饋環(huán)的相對獨立，后級功放在大動態(tài)時，穩(wěn)壓電源來不及及時調整輸出，造成穩(wěn)壓電源輸出電壓有所波動，會引起輸出的失真。同時，不管是線形穩(wěn)壓電源還是開關穩(wěn)壓電源，由于穩(wěn)壓電源部分一般需要大容量的電容，或者需要復雜的穩(wěn)壓措施，造成了難以把體積和成本的進一步降低。這些都限制了D類功放的發(fā)展。
本發(fā)明提出了一種新的拓補結構，應用高頻開關變流技術，把開關電源與D類放大器有機結合為一體，在DC-AC電路部分到功率輸出之間形成一個大的反饋環(huán)，免掉了電源的中間穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，動態(tài)特性也得到了改善，從而進一步減少了體積，降低了成本。特別適合于大功率的D類功放，也可用于其他用途的壓控開關電源，比如隔離式變頻器。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的結合附圖
，描述如下。
該拓補結構是由一次整流濾波電路，DC-AC，變壓器，二次整流，極性切換電子開關，Buck變換電路，低通濾波電路，負載，脈寬調制電路模塊，極性控制電路模塊組成。
整流橋Rect和電容C1構成了一次整流濾波電路。把交流市電整流成直流電，給DC-AC電路供電。電容C1起濾波和儲存能量的作用。
DC-AC部分完成直流到高頻交流電的逆變，把一次整流后的直流電能量轉化為高頻的交流電能量，供給與之連接的高頻變壓器T1。該DC-AC是受脈寬調制(PWM)電路模塊控制的，在一個脈沖周期內，從脈寬調制(PWM)電路模塊傳過來的PWM控制信號占空比越大，傳送給高頻變壓器T1的能量也就越多。
高頻變壓器T1的初級接受DC-AC供給的高頻交流電能量，傳遞到次級，并且同時完成了變壓及電氣隔離的功能。
D1，D2，D4，D5構成了二次整流器，把高頻交流電整流為有正負壓的雙電源直流電。
SW1和SW2是電子開關，構成了極性切換電路。這兩個電子開關是受極性控制電路模塊控制的，根據極性控制信號，選擇其中一個開關打開，讓正壓或者負壓加到電感L1上。當SW1導通時，L1，C2與D1，D2，D3，T1組成的正極性Buck變換電路工作；當SW2導通時，L1，C2與D4，D5，D6，T1組成的負極性Buck變換電路工作。其中D1，D2，D4，D5是Buck變換器跟二次整流公用的二極管。而D3，D6分別是正負極性Buck變換器的續(xù)流二級管，在高頻變壓器T1處于零狀態(tài)時給Buck變換器續(xù)流。在要求不高的條件下也可以省略D3和D6，如果省略了D3和D6，則Buck變換器通過D1，D2或D4，D5串聯(lián)T1次級線圈的一半續(xù)流，這時Buck變換器的內阻會有所增加，效率會有所下降。
LPF是低通濾波器，負責把高頻成分濾掉，讓低頻成分通過，送給負載Rload。在負載對紋波要求不嚴格的場合或者負載本身具有濾波功能(如機械慣性等)時，也可以省略該低通濾波器。
Rload是電路的負載，該電路作為音頻功率放大器應用時，Rload一般為揚聲器；如果該電路用來作其他壓控開關電源應用時，Rload為其他負載。
PWM是脈寬調制電路模塊，它根據當時的輸入和Buck變換器輸出的情況，產生PWM控制信號，用于控制DC-AC逆變器中開關管的開關占空比，以調整傳遞到負載的能量。它主要影響輸出到負載Rload的電壓相對于前一脈沖周期變化的絕對值。
POLCTRL是Buck變換器的極性控制電路模塊，它根據當時的輸入和Buck變換器輸出的情況，選擇SW1或SW2其中一個開關導通。它主要影響輸出到負載Rload的電壓相對于前一脈沖周期變化的極性。
PWM模塊與POLCTRL模塊共同作用，就可以產生極性、幅值皆可變的任意波形電壓給負載了。而PWM模塊與POLCTRL模塊產生的信號是輸入信號(INPUT)跟輸出信號反饋作用的結果。如果設計反饋環(huán)，讓輸出跟輸入成一函數關系，則輸出信號就是輸入信號函數變換后的功率放大。例如，設計反饋環(huán)，讓輸出跟輸入成一正比例關系，則輸出信號就是輸入信號的功率放大。故此，就實現(xiàn)了D(丁)類音頻功率放大，也可用于輸出電壓隨輸入電壓變化的開關電源。
權利要求
1.一種主要用在D(丁)類音頻功率放大器也可用于壓控開關電源的拓補結構。它由一次整流濾波電路，DC-AC，變壓器，二次整流，極性切換電子開關，Buck變換電路，低通濾波電路，負載，脈寬調制(PWM)電路，極性控制電路組成。
2.根據權利要求1所述的電路，其特征為從市電輸入到功率輸出之間形成一個大的反饋環(huán)。該反饋環(huán)的環(huán)路為DC-AC→變壓器T1→二次整流→極性切換電子開關→Buck變換電路→極性控制電路和脈寬調制(PWM)電路→DC-AC。
3.根據權利要求1所述的電路，其特征在于一次整流濾波電路之后接有DC-AC電路，DC-AC電路再輸出到高頻變壓器(T1)。該DC-AC是受脈寬調制(PWM)電路模塊控制的。該DC-AC電路可以是多種形式，包括全橋式，半橋式，雙晶體管正激式，單端正激式，反激式。
4.根據權利要求1所述的電路，其特征在于由D1，D2，D4，D5組成整流橋，接在變壓器T1的次級上，通過該整流橋二次整流，把變壓器輸出的交流電整流為具有正負極性的雙電源直流電。整流橋與變壓器的連接關系為D1與D2的陽極連在一起(該連接點記為P節(jié)點)；D4與D5的陰極連在一起(該連接點記為N節(jié)點)；D1的陰極，D4的陽極和變壓器次級的其中一個線圈組的一端抽頭連在一起(該連接點記為A節(jié)點)；D2的陰極，D5的陽極和變壓器次級的該線圈組的另一端抽頭連在一起(該連接點記為B節(jié)點)；變壓器次級的該線圈組的中間抽頭作為該雙電源直流的“地”。
5.根據權利要求1及4所述的電路，其特征在于有兩個電子開關SW1和SW2串聯(lián)在一起(該串聯(lián)節(jié)點記為S)，兩端分別與P節(jié)點和N節(jié)點相連。該電子開關是受極性控制電路控制的。該電子開關可以是多種能起開關作用的電子元器件，包括MOSFET，雙極型晶體管，IGBT，MCT，可控硅。
6.根據權利要求1，4及5所述的電路，其特征在于有一電感L1與一電容C2串聯(lián)在一起(該串聯(lián)節(jié)點記為FB)，L1的另一端連S節(jié)點，跟D1～D6組成兩組Buck變換電路。其中D3的陽極接P節(jié)點，陰極接“地”；D6的陽極接“地”，陰極接N節(jié)點。當SW1導通SW2截止時，L1，C2與D1，D2，D3，T1組成正極性的Buck變換電路工作；當SW2導通SW1截止時，L1，C2與D4，D5，D6，T1組成負極性的Buck變換電路工作。其中D1，D2，D4，D5是Buck變換器跟二次整流公用的二極管。而D3和D6是在Buck變換器需要續(xù)流時，為了降低Buck變換器的內阻而增加的，在一定條件下可以省略D3和D6。
7.根據權利要求1及6所述的電路，其特征為有一低通濾波器(LPF)的輸入連在FB節(jié)點，輸出與負載連在一起(該連接點記為OUT節(jié)點)。在負載對紋波要求不高的場合或者負載本身具有濾波功能(如機械慣性等)時，也可以省略該低通濾波器。
8.根據權利要求1，6及7所述的電路，其特征為脈寬調制電路模塊及極性控制電路模塊的反饋可以從FB節(jié)點采樣，也可從OUT節(jié)點采樣。
9.根據權利要求1及8所述的電路，其特征為脈寬調制(PWM)電路模塊根據當前的輸入信號(INPUT)與反饋信號參與一定的運算，產生脈寬調制信號，用來調整DC-AC電路的占空比。
10.根據權利要求1，5及8所述的電路，其特征為極性控制電路模塊根據當前的輸入信號(INPUT)與反饋信號參與一定的運算，產生極性控制信號，用來控制選擇兩個電子開關SW1和SW2之中的一個導通。
11.根據權利要求1，9及10所述的電路，脈寬調制(PWM)電路模塊和極性控制電路模塊可以合并各自內部相同或相近的電路部分，組成互相公用的模塊單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及到D(丁)類音頻功率放大器的一種拓補結構，同時也可用于壓控式開關電源。它是由一次整流濾波，DC－AC，二次整流，極性切換電子開關，Buck變換電路，低通濾波電路，負載，脈寬調制電路，極性控制電路組成。該拓補結構通過高頻開關變流技術，把市電變流為受輸入信號調制(包括幅值，頻率，相位)的電源輸出，從而實現(xiàn)音頻功率放大的功能。它能達到一般D(丁)類功放的高效率的目的，同時又能省掉一般D(丁)類功放之中的電源穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，從而降低了成本和體積。
文檔編號H03F3/217GK1487665SQ03154140
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月12日 優(yōu)先權日2003年8月12日
發(fā)明者馮凱武 申請人:馮凱武