基于单周控制技术的三电平开关功率放大器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种基于单周控制技术的三电平开关功率放大器，包括单周期控制器、正电源采样电路、负电源采样电路、驱动电路、三电平主电路和滤波器，单周期控制器输入音频信号，单周期控制器与正电源之间连接正电源采样电路，单周期控制器与负电源之间连接负电源采样电路，驱动电路连接在单周期控制器与三电平主电路的输入端之间，三电平主电路分别与正电源、负电源连接，三电平主电路的输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端输出音频信号。本实用新型以正负电源的电压为单周期采样对象，能够消除线路延时问题，降低输出失真问题，且能够提高开关功率放大器的效率和功率密度，以达到减小开关功率放大器的体积和重量的目的。
【专利说明】
基于单周控制技术的三电平开关功率放大器
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种基于单周控制技术的三电平开关功率放大器。
【背景技术】
[0002] 单周控制技术是一种单环非线性控制方法，与线性PWM(脉冲宽度调制）控制技术 相比具有电路简单、控制精度高、响应速度快、控制性能好等特点，但是同时也存在一些不 足：由于传统的单周控制采样对象是输出开关波形，存在线路延时问题，会导致波形失真 大。且传统的开关功率放大器多数采用二电平控制，存在开关管应力大、滤波器体积大重量 重等缺陷。因此，有必要提供一种新的开关功率放大器来解决上述问题。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的在于提供一种能够消除线路延时问题，降低输出失真问题，体 积小、重量轻的基于单周控制技术的三电平开关功率放大器。
[0004] 为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
[0005] -种基于单周控制技术的三电平开关功率放大器，包括单周期控制器、正电源采 样电路、负电源采样电路、驱动电路、三电平主电路和滤波器，所述单周期控制器的第一输 入端输入音频信号，所述单周期控制器的第二输入端与正电源之间连接所述正电源采样电 路，所述单周期控制器的第三输入端与负电源之间连接所述负电源采样电路，所述单周期 控制器的输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端与所述三电平主电 路的输入端连接，所述三电平主电路进一步分别与所述正电源、负电源连接，所述三电平主 电路的输出端与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端输出经过处理后的音频信 号。
[0006] 优选的，所述三电平主电路包括第一至第四场效应管，所述第一至第四场效应管 依次连接，其中，前一个场效应管的源极与后一个场效应管的漏极连接，所述第一场效应管 的漏极与所述正电源连接，所述第四场效应管的源极与所述负电源连接，所述第一至第四 场效应管的栅极分别与一个所述驱动电路连接，所述第二场效应管的漏极与第一快恢复二 极管的阴极连接，所述第二场效应管的源极为所述三电平主电路的输出端，第三场效应管 的源极与第二快恢复二极管的阳极连接，第二快恢复二极管的阴极与第一快恢复二极管的 阳极连接，第二快恢复二极管的阴极进一步接地。
[0007] 与现有技术相比，本实用新型基于单周控制技术的三电平开关功率放大器的有益 效果在于:本实用新型以正负电源的电压为单周期采样对象，能够消除线路延时问题，降低 输出失真问题，且能够提高开关功率放大器的效率和功率密度，以达到减小开关功率放大 器的体积和重量的目的。
【附图说明】
[0008] 图1为本实用新型基于单周控制技术的三电平开关功率放大器的结构框图；
[0009] 图2为本实用新型基于单周控制技术的部分电路原理图；
[0010] 图3为本实用新型所述单周期控制器的控制算法模型图；
[0011] 图4为本实用新型所述单周期控制器的信号控制算法流程图。
[0012] 图中各标记如下：Sl、第一场效应管；S2、第二场效应管;S3、第三场效应管;S4、第 四场效应管;D1、第一快恢复二极管;D2、第二快恢复二极管;R、电阻;C、电容;C1、比较器;A、 运算放大器;S、触发开关;E1、第一非门电路;E2、第二非门电路;E3、第三非门电路;E4、第四 非门电路;F1、第一与门电路;F2、第二与门电路;F3、第三与门电路;F4、第四与门电路。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。
[0014] 请参阅图1至图4所示，本实用新型提供一种基于单周控制技术的三电平开关功率 放大器，包括单周期控制器、正电源采样电路、负电源采样电路、驱动电路、三电平主电路和 滤波器，所述单周期控制器的第一输入端输入音频信号，所述单周期控制器的第二输入端 与正电源U+之间连接所述正电源采样电路，所述单周期控制器的第三输入端与负电源U 一之 间连接所述负电源采样电路，所述单周期控制器的输出端与所述驱动电路的输入端连接， 所述驱动电路的输出端与所述三电平主电路的输入端连接，所述三电平主电路进一步分别 与所述正电源、负电源连接，所述三电平主电路的输出端与所述滤波器的输入端连接，所述 滤波器的输出端输出经过处理后的音频信号。
[0015] 在具体实施时，本实用新型所述正电源采样电路通过采样电阻将高压信号分压成 低压信号u+，低压信号通过电压跟随器和RC低通滤波器传送至单周期控制器，所述负电源 采样电路通过采样电阻将高压信号分压成低压信号u-，低压信号通过电压反向器和RC低通 滤波器传送至单周期控制器，其中电压反向器用于将负电压转换成正电压。
[0016] 其中，所述三电平主电路包括第一至第四场效应管，所述第一至第四场效应管依 次连接，其中，前一个场效应管的源极与后一个场效应管的漏极连接，所述第一场效应管Sl 的漏极与所述正电源连接，所述第四场效应管S4的源极与所述负电源连接，所述第一至第 四场效应管S4的栅极分别与一个所述驱动电路连接，所述第二场效应管S2的漏极与第一快 恢复二极管Dl的阴极连接，所述第二场效应管S2的源极为所述三电平主电路的输出端，第 三场效应管S3的源极与第二快恢复二极管D2的阳极连接，第二快恢复二极管D2的阴极与第 一快恢复二极管Dl的阳极连接，第二快恢复二极管D2的阴极进一步接地。
[0017] 本实用新型所述单周期控制器的控制算法模型包括依次连接的积分器、比较器 Cl、RS触发器和门电路。
[0018] 所述积分器包括运算放大器A、电阻R、电容C和触发开关S，所述电阻R的第一端接 入采样后的正电源信号或负电源信号，所述电阻R的第二端与运算放大器A的负向输入端连 接，运算放大器A的正向输入端接地，运算放大器A的负向输入端与输出端之间连接所述电 容C，所述电容C与所述触发开关S并联连接，运算放大器A的输出端与比较器Cl的负向输入 端连接。
[0019] 所述比较器Cl的正向输入端输入取绝对值后的音频信号，比较器Cl的输出端与RS 触发器的复位输入端连接，RS触发器的置位输入端接入时钟脉冲信号。
[0020] 所述门电路包括第一至第四与门电路和第一至第四非门电路，所述RS触发器的第 一输出端分别与第一与门电路Fl的第一输入端和第二与门电路F2的第一输入端连接，音频 信号分别接入第一与门电路Fl的第二输入端、第一非门电路El的输入端、第二非门电路E2 的输入端和第三与门电路F3的第二输入端，第一与门电路Fl的输出端输出第一控制信号 g 1，第一与门电路F1的输出端与第三非门电路E3的输入端连接，第三非门电路E3的输出端 与第四与门电路F4的第一输入端连接，第一非门电路El的输出端与第四与门电路F4的第二 输入端连接，第四与门电路F4的输出端输出第四控制信号g4,第二非门电路E2的输出端与 第二与门电路F2的第二输入端连接，第二与门电路F2的输出端输出第三控制信号g3,第二 与门电路F2的输出端与第四非门电路E4的输入端连接，第四非门电路E4的输出端与第三与 门电路F3的第一输入端连接，第三与门电路F3的输出端输出第二控制信号g2。
[0021] 单周期控制器的占空比的处理方法为:首先通过ADC中断读取正、负电源采样和音 频信号采样的数字转换值，依次记为&此[0]、 &此[1]、&此[2]。然后在定时器2中断进行数据 处理，通过adc[2]的值判断音频信号的正负，当u in>0时，计算出单周期控制下的占空比为 adc[2]/adc[0]，按照图3的算法原理图分别分配4路HVM在双次比较模式下的匹配1事件和 匹配2事件寄存器值，以得到相应的4路控制信号；当m n〈0时，计算出单周期控制下的占空比 为adc[2]/adc[l]，同样按照图3的算法原理图分别分配4路PWM在双次比较模式下的匹配1 事件和匹配2事件寄存器值，以得到相应的4路控制信号。
[0022] 当音频信号uin>0时，在每个开关周期1开始时，elk时钟脉冲信号对RS触发器进行 置位，触发开关S闭合，使积分器清零，此时gl、g2输出为1，对应的三电平主电路输出电平为 U〇 = U+。一个elk时钟脉冲信号脉冲后积分器开始对U+积分，当积分器输出等于音频输入Uin 时，比较器Cl翻转，RS触发器复位，此时g3、g4输出为1，对应的三电平主电路输出电平为0。
[0023] RS触发器翻转时刻比较器Cl两端信号满足= .= 如果不 考虑开关管的导通压降，则三电平的输出满足u。= DTsU+ = (U+/u+)Uin;
[0024] 当uin〈o时，同理可以分析得到-?? = JswHii; ^ PTsl..，则三电平的输出满 足U。= DTs ( -U- ) = ( U-/U- ) Uin。其中，tern为积分总时间，D为c Ik时钟脉冲信号的占空比，Ts为 触发开关S的触发闭合最小周期。
[0025]由此可见，在正负电源采样系数相同的情况下即U+/u+ = U-/u- = k，该控制下三电 平主电路的输出正比于输入的音频信号，即Uc1 = Luln，实现了音频信号放大的功能。
[0026] 在本实用新型的工作原理为:正电源采样后的信号、负电源采样后的信号和音频 信号经过单周期控制器的控制算法模型处理后形成四路控制信号gl-g4,四路控制信号分 别接入四个驱动电路，每一个驱动电路与一个场效应管的栅极连接以控制场效应管导通或 者断开，三电平主管路输出信号至滤波器进行滤波处理，最后输出经过放大的音频信号。
[0027] 综上所述，本实用新型以正负电源的电压为单周期采样对象，能够消除线路延时 问题，降低输出失真问题，控制精度高，电源适应强;且单周期控制技术应用于三电平拓扑 结构中，能够提高开关功率放大器的效率和功率密度，开关功率放大器的体积小重量轻。在 本实施例中，满载下开关功放的效率达到96%，功放能线性输出，不受电源波动的影响，功 放输出的频率范围为ΙΟ0Hz-lOkHz，输出功率为8kw，波形失真至0.5%。
[0028] 以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图 中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域 的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出 与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于单周控制技术的三电平开关功率放大器，其特征在于:包括单周期控制器、 正电源采样电路、负电源采样电路、驱动电路、三电平主电路和滤波器，所述单周期控制器 的第一输入端输入音频信号，所述单周期控制器的第二输入端与正电源之间连接所述正电 源采样电路，所述单周期控制器的第三输入端与负电源之间连接所述负电源采样电路，所 述单周期控制器的输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端与所述三 电平主电路的输入端连接，所述三电平主电路进一步分别与所述正电源、负电源连接，所述 三电平主电路的输出端与所述滤波器的输入端连接，所述滤波器的输出端输出经过处理后 的音频信号。2. 如权利要求1所述的基于单周控制技术的三电平开关功率放大器，其特征在于:所述 三电平主电路包括第一至第四场效应管，所述第一至第四场效应管依次连接，其中，前一个 场效应管的源极与后一个场效应管的漏极连接，所述第一场效应管的漏极与所述正电源连 接，所述第四场效应管的源极与所述负电源连接，所述第一至第四场效应管的栅极分别与 一个所述驱动电路连接，所述第二场效应管的漏极与第一快恢复二极管的阴极连接，所述 第二场效应管的源极为所述三电平主电路的输出端，第三场效应管的源极与第二快恢复二 极管的阳极连接，第二快恢复二极管的阴极与第一快恢复二极管的阳极连接，第二快恢复 二极管的阴极进一步接地。
【文档编号】H03F3/217GK205545168SQ201620085719
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】龚利明, 王智, 徐爱伟, 吕飞
【申请人】昆山九华电子设备厂