基于D類功放的寬范圍可調開關電源的設計

摘要：結合PWM開關電源的原理對D類功放的工作原理進行了分析，提出了在D類功放基礎上構建PWM正負可調開關電源的方法，并在成品D類功放器件基礎上，成功地實現了經濟實用的開關電源。

關鍵詞：D類功放；PWM開關電源；反饋；穩壓

0 引言

很多電子設備的開發研制過程中，都需要各種各樣的實驗與測試用通用穩壓電源。這一類電源要求有較寬的調節范圍、一定的輸出功率以及完善的保護功能。以往的實驗與測試用電源，為了實現輸出的寬范圍調節，大多使用基于模擬串、并聯電路的穩壓方式，其效率低下已是人們的共識。PWM脈寬調制開關電源的出現，大大提高了電源的效率，可是，現在的PWM開關電源的運用，大多局限在成品電器設備的固定電壓的輸出模式，其電壓可調范圍十分有限，而開關電源在通用電源的寬范圍可調應用上并不普遍，特別是在對稱的正負范圍輸出的可調應用上，即使有這樣的產品其價格也相對較高。

作者結合PWM開關電源的原理對D類功放的工作原理進行了分析，認為利用D類功放可以在較為經濟的條件下，方便地實現寬范圍可調的PWM開關電源。

1 D類功率放大器的工作原理

如圖1所示，D類音頻功率放大器由兩部分構成。第一部分是輸入比較和PWM信號形成電路，該電路中的三角波發生器產生固定頻率和幅度的三角波信號作為脈寬調制的比較標準，通過比較器和輸入的音頻信號進行比較后輸出PWM信號，該信號的脈寬是隨著音頻信號幅度的變化而成正比例地變化。放大器中的三角波、音頻正弦信號產生的PWM波形及關系如圖2所示。第二部分是H橋脈寬功率放大電路和輸出大功率濾波電路，如圖3所示。

圖1 D類功放原理框圖

圖2 放大器中的三角波、音頻正弦信號產生的PWM波形及其相互關系

圖3 大功率輸出部分（H橋和濾波電路）

第一部分電路得到的PWM信號經過整形放大，驅動H橋中與高壓大功率電源相連的的4只大功率CMOS開關管輪流導通，控制末級電源向負載提供的電流，從而獲得大功率的PWM信號，該信號再經過負載前的LC濾波器，利用電感電容的充放電效應在負載上獲得大功率的音頻信號。D類功放中H橋輸出的穩定程度，決定于給H橋供電電源的穩定性，故在D類功放末級必須使用穩壓電源。

2 在D類功率放大器原理基礎上實現PWM調制開關電源的設計思路

從上面分析D類功率放大器的工作原理可以得出下述幾點推理。

1）當在音頻輸入端送入的信號是一個固定的直流電壓值時，將在功放的輸出端得到一個固定的電壓輸出值。與音頻功放的情況不同，是從不穩定的大功率電源獲得穩定的電壓輸出，即在H橋上連接的不是已經穩壓的電源，而是僅僅經過簡單整流濾波的非穩壓電源。在輸入信號足夠穩定的情況下，輸出電壓的相對穩定要依靠輸出和輸入之間構建合適的反饋回路來實現。

2）當在輸出端接上一個電位器調節放大器的輸入信號在一個正負范圍內發生變化時，放大器的輸出也在給H橋供電的電源的正負幅值之間發生著變化，輸入的一個很小的變化就可以在輸出獲得較大的從負到正的電壓調整范圍，故實現寬范圍正負電壓輸出調節也是可能的。

3）由于電源設計是基于D類功放的，是工作在PWM的方式下，與PWM開關電源有相同的能量利用效率。

基于上述思路，設計出電路的原理框圖如圖4所示。

圖4 D類功放開關電源框圖