ＰＳＭ脉冲面积调制功率放大器在水声领域的应用

魏玉华

摘要: 本文介绍了一种新型功率放大器,并对其采用的关键技术和应用做了简要分细和阐述，给出了这种新型功率放大器在水声领域的应用。

关键词：PSM；技术分析；应用前景

1 引言

水声领域中模拟的功率放大器经过了几十年发展，已经达到了相当高的水平，其技术性能已经相当成熟。随着现代科技的发展和进步，数字功放的应用越来越广泛，其高效率、小体积的优势被人们高度重视，极大的激发了人们对其应用的研究兴趣。

数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了，由于当时技术条件的限制，进展一直较慢。1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM（脉码调制）数字功放的基本结构。主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM（脉冲调宽信号）。本文介绍了一种PSM（脉冲面积调制）数字功率放大器技术特点和应用，这是一种新型功率放大器，它成功克服了传统功率放大器固有的效率与失真二者不能兼顾的缺陷，是功率放大器的一次技术革命。

2 主要性能特点

PSM功率放大器，主要应用于音频功率放大。它的显著特点是宽频带、效率高、失真度低。在纯阻负载条件下，效率很容易达到95％以上（在额定功率的1/10条件下，效率也能达到60％以上），总谐波失真度THD＋N＜0.2%，失真度性能已经达到高保真音响的指标；比较而言，目前性能较好的D类功放也只能达到80－90％的效率。

瞬态响应好，抗过载能力强，通过于负载适当的功率匹配，具有一定的频率补偿效应。

3 核心技术

PSM（脉冲面积调制）数字功率放大器核心技术包括：脉冲面积调制数字功率处理技术、零电压转换数字功率处理技术。

脉冲面积调制技术采用通信技术中的小信号适应算法和估计算法，将输入信号和负载电流经过数字处理后的输出信号控制场效应管的导通和关闭。这种处理方法克服了脉冲前、后沿延迟和顶部倾斜引起的失真。PSM数字功率放大器的另一项核心技术是零电压转换数字功率处理技术，使其效率达到80％～90％，在十分之一的额定功率下，效率也可以达到50％～60％左右，远高于AB类（甲乙类）功率放大器的指标。

以上核心技术包括信号处理算法和驱动电路已经利用先进的HVIC（高压集成电路）半导体工艺集成在芯片中，功率处理芯片DPP2000。

4 应用

PSM数字功率放大器的应用非常广泛，但在水声工程领域的应用一直是一个空白。由于装备对新技术应用的滞后性，到目前为止，声纳线性功率放大器一般采用甲乙类功率放大器，功率放大部分要占用整整一个机柜，一般分为功率模块，输出变压器、电源模块以及辅助模块等。为保证系统可靠性和稳定性，系统设计还要采用降额设计原则，所以甲乙类功率放大器工作效率只能达到40％左右，加上换能器的功率匹配损失，效率低于40％。由于效率低，系统损耗大，必须要有良好的散热系统，而加装电源风扇必然增加噪声抑制和电磁设计的难度。

在水声领域，由于功率越大声纳传输距离越远，所以通信声纳一般都需要大功率放大器，装备的体积庞大，设计难度也很高。所以对线性功率放大器应用来说，高效率，低失真度，体积小的宽带功率放大器一直都是各种声纳系统的理想功率放大器。

近年来，数字信号在水声领域已经得到比较广泛的应用，例如：伪随机扩频信号，OFDM信号等等。但是高峰平比宽带信号的研究和应用受到传统线性功率放大器性能的限制，OFDM信号带宽一般都在几KHz以上，峰平比较高，但OFDM信号又需要进行线性功率放大，模拟功率放大器在大功率条件下难以平衡效率和失真度等指标要求。而PSM功率放大器，瞬态响应好，抗过载能力强，经过适当的功率匹配，适用于不同的阻抗特性的负载，PSM功率放大器的性能特点非常适合水声领域的应用。

如果采用PSM功率放大器，不但可以小型化，效率也可以提高到60％～80％左右，但最终实现效率的高低与功率放大器和负载的匹配状态有关。

5 应用实例

在与中国科学院声学研究所合作的某预研项目中，就运用了采用PSM技术的功率放大器，该功率放大器采用 68V直流电源供电，额定输出功率为2000W，功率放大模块外形尺寸为 270 x 168 x 270 (mm) ，重量20Kg，与通信声纳通用换能器匹配之后的声源级能达到200dB,该功率放大器的匹配网络与功率放大模块设计在一起，通过一组开关电源，负责把电池组输出的48V直流电源转换为 72V直流电源。与现役的通信声纳的线性功率放大器相比，采用PSM技术的功率放大器有如下几点优势：

a.体积比现役的功率放大模块的体积要小一半之多；

b.由于效率较高，短时间内发热量不大，不需要额外的被动散热装置，这样就减小了环境噪声；

c.达到同样的声源级要比现役的功率放大器消耗的电功率少将近一半；

d.由于匹配网络与功率放大模块设计在一起，现役的通信声纳如要采用PSM技术的功率放大器，其匹配转换装置的体积就可大大缩小。

又如在某通信声纳设备中，也使用了采用PSM技术的功率放大器，功率放大模块与匹配网络为一体设计，额定功率为800瓦，尺寸仅为270 x 195 x 125 (mm)，发射声源级能达到199.7 dB,加上把220交流电源转换为 72V的电源板，总尺寸也不会增加太多，匹配之后全功率发射时加在换能器上的电功率与消耗的总电功率之比达65%以上。该产品在试验时通信效果很好。

6 优越性

从PSM功率放大器的应用情况我们可以看到：

同样的发射功率PSM功率放大器体积是模拟线性功率放大器的1/5；重量是1/10。充分体现了PSM功率放大器的优越性。

如果不是长时间连续发射，PSM功率放大器主机几乎不发热。主机设有开关电路，在关闭状态，功耗几乎为零，开关电路控制功放开机，系统响应时间可以达到毫秒级，在几个毫秒内可以从关闭状态达到满功率发射状态。因此功放部分可以不必安装散热风扇，只用加装散热片即可，这在工程上可以大大降低散热时的风燥和因开窗带来的电磁泄露。

主动声纳负载一般为压电陶瓷换能器，容性负载，需要进行匹配变换，PSM功率放大器 0W和2000WPSM功放的功率匹配单元尺寸都较小，可以安装在机箱内部，更换不同的匹配单元驱动不同阻抗特性的负载。

7 结束语

本文对PSM功率放大器主要特点及核心技术进行了深入分析研究，并与模拟的功率放大器进行了实际对比，总结了PSM功率放大器的优越性，对PSM功率放大器在实际应用中前景和需求进行了阐述，明确提出了PSM功率放大器在主动声纳中具有很强的实际应用价值，尤其是比线性功率放大器有着比较明显的优越性。