一种综合单周期PFC及变频技术的音频功率放大电源系统的制作方法

本发明属于功放开关电源技术领域，具体涉及一种综合单周期pfc及变频技术的音频功率放大电源系统。

背景技术：

寻求一种低成本、小体积、具有高可靠性、低噪声的直流电源，对保证d类功放电源的音质和性能十分重要。在过去功放电源主要是依靠线性电源来实现的，然而，线性稳压电源存在形体大，成本高的问题。科研人员渐渐开始使用开关电源来代替线性电源，但是普通开关电源存在以下问题：(1)输出电压纹波干扰较大，谐波分量频谱较宽，难以解决电磁兼容问题。(2)能量补充速度较低，并且整流后内阻大；为了降低内阻，又要使用10000μf以上电容滤波的电源系统。这样会使得音乐爆棚时仍然会感觉后劲不足，影响了瞬态响应。

因此需要一种高效、稳定的电能转换技术，将其应用在功放电源的研制中，以减小功放电源产品的体积，大幅度消除输出的纹波电压，从而提高d类功放的性能和音质，同时结合功率因数校正环节，提高整流器的功率因数，减少对电网的污染，以适应高要求的工作场合。

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种综合单周期pfc及变频技术的音频功率放大电源系统，pfc表示功率因数校正，(1)通过一种变频启动技术，一方面使开关电源能够稳定推动大容量滤波电容开始工作，另一方面实现功放电源的低成本和小体积。(2)采用了单周期功率因数校正技术，一方面提高了效率，降低了开关电源系统对电网的谐波污染，另一方面建立了系统的闭环控制，提高了输出电压的稳定性。

本发明的技术方案是：一种综合单周期pfc及变频技术的音频功率放大电源系统，其特征在于：包括整流/滤波电路、功率因数校正电路模块、变频启动电路、大容量电容和辅助电源电路；将220v交流电压通过所述整流/滤波电路转为直流电压；将直流电压输入所述功率因数校正电路模块，进行功率因数校正，降低输入电流的谐波水平；然后输入到所述变频启动电路，将直流电压逆变并整流滤波；最后输入到所述大容量电容，通过大容量电容对外接功放负载提供能量；

所述功率因数校正电路模块包括功率因数校正电路和occ控制电路，所述功率因数校正电路包括boost电路和输出滤波电路，将整流/滤波电路输出的直流电压通过所述boost电路进行升压，然后再通过所述输出滤波电路进行一次输出滤波，所述输出滤波电路输出端输出直流电压；所述occ控制电路包括pwm发生器，用于给所述功率因数校正电路输出pwm控制信号；

所述变频启动电路包括半桥逆变电路、输出整流滤波电路和变频控制电路，用于减小所述大容量电容充电时的冲击电流；将所述功率因数校正电路输出的直流电压输入到所述半桥逆变电路逆变为方波电压，然后输入到所述输出整流滤波电路；所述输出整流滤波电路包括clc滤波电路和rc滤波电路，所述clc滤波电路输入端与半桥逆变电路的输出端连接，其输出端与所述rc滤波电路连接；所述变频控制电路用于向半桥逆变电路输出pwm控制信号；

所述辅助电源电路为ac/dc转换电路，用于向所述occ控制电路和变频控制电路提供电压。

本发明的进一步技术方案是：所述变频控制电路包括控制芯片、第一供电电路和推挽电路，所述推挽电路用于给所述半桥逆变电路中的msofet提供控制信号；所述第一供电电路用于给所述控制芯片提供电压，所述控制芯片将产生的pwm信号输出给所述推挽电路。

本发明的进一步技术方案是：所述控制芯片采用ir2156。

本发明的进一步技术方案是：所述occ控制电路包括pfc控制芯片、第二供电电路、编程电路、输入电流采集电路、输出电压采集电路、电压补偿回路和过压采集电路；所述pfc控制芯片的各端口分别与所述编程电路、输入电流采集电路、输出电压采集电路、电压补偿回路和过压采集电路连接，所述第二供电电路用于给所述pfc控制芯片提供电压；所述occ控制电路用于输出控制所述boost电路的pwm信号。

本发明的进一步技术方案是：所述大容量电容的电容值为4万μf。

有益效果

本发明的有益效果在于：在功放电源的设计中，将开关电源的输出端并联上4万μf的大容量电解电容来实现输出电压的滤波，同时采用，稳定推动大容量电容负载，此外还采用单周期功率因数校正技术，减小前级电路的谐波失真度。变频启动技术是在半桥式逆变电路的基础上，加入ir2156驱动芯片来驱动其中的开关管器件，利用其高频启动、低频稳定运行的功能，减小负载电容充电时的冲击电流，同时实现负载滤波电容的快速充电。这一技术可以解决大电容负载上电时冲击电流大的问题。单周期功率因数校正技术是在传统有源功率因数校正技术的基础上，实现了在一个周期内完成输出pwm占空比的控制，避免了传统功率因数校正电路技术复杂、设计繁琐、体积大且成本高的问题，同时可以降低谐波失真。通过采用两种技术，可以减小输出电压的波纹，加快电路响应效率，提高整流器的功率因数，减少对电网的污染。

将大容量滤波电容并联在半桥逆变电路输出端，使输出电压波形更为平滑；采用变频启动技术，减小滤波电容充电时的冲击电流，并加快其充电效率；采用单周期功率因数校正技术，提高功率因数，减小谐波失真。从而减少功放电源的纹波干扰，保证功放系统的音质和性能，提高整个电源系统的效率。

附图说明

图1是功放电源系统设计框图。

图2为采用单周期控制技术实现功率因数校正的电路图。

图3为采用变频启动技术推动负载电容充电和工作的电路图。

图4为本发明功放开关电源系统输出电压建立过程实验结果图。

图5为本发明功放开关电源系统的功率因数校正结果的波形图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1-图3，本实施例一种基于单周期pfc控制的d类音频功率放大器的电源系统设计技术，其特点是将变频启动技术和单周期功率因数校正相结合起来应用到功放开关电源的设计中，以提高这种电源系统的电能转换效率，稳定输出电压。在本实施案例中，输入电压ac220v，频率50hz，输出功率300w，输出直流电压80v，pfc级输出电压400v，电路各元器件参数参考图2与图3。

参照图1，本发明一种综合单周期pfc及变频技术的音频功率放大电源系统包括整流/滤波电路、功率因数校正电路模块、变频启动电路、大容量电容和辅助电源电路；将220v交流电压通过所述整流/滤波电路转为直流电压，再将直流电压输入所述功率因数校正电路模块，进行功率因数校正，降低输入电流的谐波水平；然后输入到所述变频启动电路，将直流电压逆变并整流滤波；最后输入到所述大容量电容，通过大容量电容对外接功放负载提供能量。

参照图2，基于单周期控制技术的功率因数校正电路，后文简称为单周期pfc电路。所述功率因数校正电路模块包括功率因数校正电路和occ控制电路，所述功率因数校正电路包括boost电路和输出滤波电路，将整流/滤波电路输出的直流电压通过所述boost电路进行升压，然后再通过所述输出滤波电路进行一次输出滤波，所述输出滤波电路输出端输出直流电压；所述occ控制电路包括pwm发生器，用于给所述功率因数校正电路输出pwm控制信号；

该电路主要分为两个部分，即主电路与occ控制电路。主电路包括boost电路和输出滤波电路。boost电路由电感l1、开关管q1、二极管d2和输出电容c4组成，其中开关管的闭合情况受控制电路控制。输出滤波电路通过电容e1来实现。除上述子模块之外，主电路中还存在一个与boost电路并联的二极管，由于控制芯片是通过整个电源系统的输出电压的分压电路来供电的，因此需要通过此二极管来在boost电路进入工作之前初始化电路，使控制芯片通电。occ控制电路包括pfc控制芯片ir1150及供电和编程电路、输入电流采集电路、输出电压采集电路、电压补偿回路和过压采集电路。具体电路参考ir1150数据手册。控制电路的数学模型中主要包含两个环路：电压环和电流环，两个环路相互配合，可以控制pfc芯片的pwm输出占空比，来达到预期的控制效果，即输入电流的波形跟随整流后的输入电压波形，同时保持输出电压的稳定。

参照图3，所述变频启动电路包括半桥逆变电路、输出整流滤波电路和变频控制电路，用于减小所述大容量电容充电时的冲击电流；将所述功率因数校正电路输出的直流电压输入到所述半桥逆变电路逆变为方波电压，然后输入到所述输出整流滤波电路；所述输出整流滤波电路包括clc滤波电路和rc滤波电路，所述clc滤波电路输入端与半桥逆变电路的输出端连接，其输出端与所述rc滤波电路连接；所述变频控制电路用于向半桥逆变电路输出pwm控制信号。

所述变频控制电路主要包括控制芯片、第一供电电路、推挽电路。控制芯片选择为ir2150，第一供电电路给所述控制芯片提供电压，所述控制芯片将产生的pwm信号输出给所述推挽电路；推挽电路为由四个二极管及若干电阻组成的放大电路，其中三极管q1、q3对应开关管q2的放大电路，三极管q4、q6对应开关管q5的放大电路，驱动电路将由控制芯片及第一供电电路产生的控制信号进行放大，并控制开关管器件；半桥逆变电路由开关管q2和q5、电容c1和c6、变压器组成，逆变电路收到控制信号的控制，并且将由pfc模块输出的直流电压进行逆变；输出整流滤波电路将逆变后的电路进行再一次的处理，使之符合负载的使用要求。上述驱动电路的工作原理如下：以开关管q2的驱动电路为例，当控制芯片ir2150的ho引脚产生的“1”信号时，三极管q1和q3导通，开关管q2偏置端的电流流向为：+15v→r2→q1→r3→r5→q3→vs，此时q2偏置端有高电压，q2导通；当控制芯片ir2150的ho引脚产生的“0”信号时，三极管q1、q3均不导通，q2的偏置端没有电流，q2不导通，这样就实现了q2的驱动，也就是控制芯片ir2150输出pwm信号的放大。上述变频技术的工作原理如下：在启动的初始阶段，控制芯片工作在高频启动模式下，并控制两只mosfet管在高频启动频率下开通和关断，若高频启动频率为200khz，死区时间660ns，则此时实际占空比只有36.8％；随后，控制芯片进入运行频率工作模式，并控制两只mosfet管在正常运行频率下开通和关断，若运行频率为50khz，则此时实际占空比达到46.7％，由此可以看出，在启动的初始阶段，也就是高频启动时，滤波电容上所加电压要小于正常运行时的电压，电容充电时的冲击电流也因此减小。而由200khz的高频启动频率向50khz的运行频率过渡时，电容的充电电流虽然还会增加，但是不会形成冲击，反倒可以加快电容的充电过程，使电压迅速上升到稳定工作电压。

所述辅助电源电路为ac/dc转换电路，其输入端与所述整流/滤波电路连接，其输出端依次连接occ控制电路和变频控制电路，用于向所述occ控制电路和变频控制电路提供低电压。

为了确认本设计是否能够稳定、有效、可靠的工作，对电源系统进行实验验证。实验通过负载一组功率电阻，来完成电源系统在额定负载下的工作情况，实验所测得输出电压建立过程如图4所示。从图中可以看出，输出电压可以快速的建立并稳定输出，并且建立过程中会出现两个“台阶”，建立过程中第一个“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pfc采取的是后供电的策略开始作用，导致的电压在pfc工作后进一步升高。实验所测输入电流波形与输入电压波形如图5所示。从图中可以看出，功率因数校正电路可以取到良好的控制效果。

可以看出，电源系统可以快速建立输出电压，而且较普通电源有电压波纹较小、波形稳定、启动时的冲击电流小、可靠性强等优点。并且采用了单周期pfc控制技术成功实现了输入级的功率因数校正。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。