阶梯波合成开关功率放大器的研究与实现

李　腾，徐　池，王永斌，汪　玲

(1.海军大连舰艇学院,大连 116018；2.海军工程大学，武汉 430000)



阶梯波合成开关功率放大器的研究与实现

李腾1，徐池1，王永斌2，汪玲1

(1.海军大连舰艇学院,大连 116018；2.海军工程大学，武汉 430000)

摘要：针对D类开关功率放大器谐波辐射功率大且对其他电信系统造成干扰的问题，提出基于阶梯波合成的开关功率放大的思想。利用阶梯调制技术，构建阶梯波合成的思路；结合Multism软件仿真，设计一个阶梯波合成开关功率放大系统，对系统输出信号进行频谱分析，经电路调试，输出了五电平阶梯波，验证了方案的可行性。

关键词：阶梯波；开关功率放大器；谐波分析

0引言

进入21世纪以来，电力电子技术得到了高速发展，功率放大器[1]更广泛地应用于社会生活，比如功率较小的音频系统，国防建设领域里的大功率发射装置、医学检测领域里的核磁共振器、水下搜救的声呐探测装置等。

然而实际的功率放大器总是存在放大效率与波形质量不可兼得的矛盾。现阶段使用的线性功率放大器与开关功率放大器相比，效率低，可靠性差，开关功放必将其逐步代替。简单的开关功放由于谐波成分大，用于大功率超低频发射系统时，会对其他电子系统造成谐波干扰，降低了辐射效率。为此，通过采用多电平技术[2]，利用Multism软件仿真，研制了阶梯波合成的开关功放,从而获得了较高的波形质量，提高了工作效率。

1基于阶梯调制的阶梯波合成

1.1阶梯调制技术

阶梯调制(SM)技术是采用多种电源模块进行控制输出的技术，是高电压大功率电源系统的一种重要的调制技术，为阶梯波合成开关功放的制作提供了重要的理论依据。

基于阶梯调制技术[3]的高压电源的结构及负载输出如图1所示。

图1　阶梯波合成原理

该电源由n个直流功率模块级联而成，其中每一个直流功率模块输出电压均为US，由开关管K1、K2、……、Kn的断开闭合决定直流功率模块是否级联到总电路中去，负载L两端的输出电压UL=nUS，n为接入到总电路中的直流功率模块的数目，D1、D2、……、Dn为续流二极管，为电路提供回路。如果K1、K2、K3闭合，则负载L上输出电压UL=3US。通过控制信号实现开关的有效打开和关闭，使输出的阶梯波形能较好地接近输入正弦波。阶梯波基于SM的开关电源，其电路结构简单，输出电压可调，只需要控制开关管的通断即可调节电压的输出范围。而且每个功率模块采用归一化的电路结构，增加了系统的鲁棒性和稳定性。即使其中有几路发生故障不能正常工作，通过冗余设计仍可以迅速地用其他功率模块替换。

1.2阶梯波合成的基本思路

由于开关功率放大器输出的波形，无论是方波还是阶梯波，其频率特性不变，即它们的基波都是原信号波形。实际上，信号的波形由于所携带的信息不同会千差万别。为了更好地还原信号波形，利用脉冲阶梯调制法可以得到频率特性不变的阶梯波。以正弦波为例，其设计思路为：

步骤1：将原正弦信号与不同的各级电平进行比较(以4级电平为例)，形成了4路占空比不同的方波信号，如图2所示。

图2　步骤1的波形示意图

步骤2：经过反相器，输出4路信号的上升沿为输入信号的下降沿，从而形成了8路均由上升沿触发的控制信号，如图3所示。

图3　步骤2的波形示意图

步骤3：将上述的8路信号输入积分型单稳态触发器中，输出脉冲的由上升沿触发的控制信号，如图4所示。

图4　步骤3的波形示意图

步骤4：利用同步JK触发器的置0、置1功能，用8路信号的上升沿分别控制功率开关的开关，合成与原信号相似阶梯波的控制信号，在叠加负载上即可得到五电平阶梯波，如图5所示。

图5　步骤4的波形示意图

原正弦信号可以经一次比较直接生成方波，原理简单，但谐波含量大；原正弦信号经过4级比较，输出信号直接叠加即可生成阶梯波。但在实际应用中，考虑到功率开关的先开先断原则，应再经变换得到占空比相同而各级电平不同步的4路控制信号，将这4路信号叠加，既可产生方波，又可使功率开关循环合理使用，提高了功放的使用寿命。

随着比较级数的增多，阶梯波的电平数也随之增多。电平数越多，阶梯波也就越接近正弦波。电工学意义是：电平数越多，其中的谐波含量越少，信号能量更集中于基波信号，信号失真度越小，信号质量越高。

2阶梯波合成开关功放设计与仿真分析

2.1阶梯波合成开关功率放大器的设计

阶梯波合成[4]开关功率放大器简图如图6，系统的输入信号为单极性的正弦波信号，输出为n电平阶梯波信号(n取决于直流功率模块的多少)。该系统分为4个模块：直流电源模块，它的电压大小直接影响功率放大倍数；功率开关模块，它的耐压性能和灵敏度决定了直流电压大小和波形质量；主控系统是整个系统的核心，阶梯波合成的主要部分；负载滤波模块，主要由滤波器组成，原理简单，实现容易。

图6　阶梯波合成开关功率放大器结构总图

控制系统实现的主要功能是根据阶梯波合成的基本思路设计的。输入的原始信号为正弦波，给正弦信号加偏路电压，以便对信号实现单极性量化，方便各阶梯电平与其对比，产生控制开关开断的4路信号。符合先通先断原则的4路控制信号分别控制功率开关的开断，直流电源就可以以阶梯波状叠加到负载上，形成阶梯波信号。其原理图如图7所示。

图7　阶梯波合成开关放大器控制系统原理图

先开先断主要由比较器、反相器、积分型单稳态触发器和同步JK触发器等各功能模块来实现。经比较器产生的4路信号，均由上升沿控制开关的开，下降沿控制开关的关。为了满足先开先断原则，用一级信号上升沿打开的开关由四级信号的下降沿关闭，二级信号上升沿打开的开关由三级信号的下降沿关闭，其余依此类推。而反相器的作用是将信号分成8路，都由上升沿控制，便于8路信号分别控制开关的开断；同步JK触发器可将八路信号换成高低电平的4路信号来控制一个开关的开断。积分型单稳态触发器的作用是实现宽方波变成触发脉冲的器件。

2.2基于Multsim的功放电路仿真分析

Multsim软件是一款功能强大、贴近实际的电子电工仿真软件，设计思路中的器件能够在软件中直接找到，比如直流电源、单刀双掷的功率开关、负载等。主控系统中的各器件采用了分模块测试、1路方波信号产生、4路信号合成阶梯波的步骤，最终输出4路高低电平控制，实现了继电器即功率开关部分的先通先断原则。

功率开关模块实现了工作时加上9 V电压、不工作时仍可导通的功能，加在负载两端的是系统主要供电模块。如果控制信号不变，增大功率开关管的性能同时增大直流电源电压和电流，便可实现大功率放大。

仿真得到的波形如图8，阶梯波能够很好地拟合原正弦信号，实际阶梯波的幅度是正弦信号的7倍。这实现了功率放大，同时又保持了原信号的频率特性相比于方波，其谐波含量大大减小，这样既减小了失真率，又防止了谐波所造成的能量浪费。

图8　五电平阶梯波生成波形图

利用频谱分析仪对2种波形(基波均为相同正弦波的方波和阶梯波)进行频谱分析，结论为：阶梯波的谐波分量明显小于方波，即阶梯波的能量更多地集中在基波中。

经光频谱仪分析测量，得到如表1所示谐波能量比较。

表1　方波与阶梯波的谐波能量比对

对应的能量所占百分比如图2所示。

表2　方波与正弦波谐波能量所占百分比

其3次、5次、7次谐波所占用能量的百分比减小了36.75%、26.5%、11.25%。阶梯波谐波总能量比方波减小74.5%,软件仿真的结果充分证明阶梯波可减少谐波能量损失。在采用大功率技术的同时，减小谐波分量，降低波形的失真度，提高波形质量，为低频信号的超远距离发展发挥更大的作用。

3实际电路的搭建与调试

3.1电路的输入输出及设计要求

(1) 输入信号：幅值为5 V、频率为100 Hz的正弦波。输出信号：幅值为36 V、频率为100 Hz的五电平阶梯波。

(2) 输入波形为低频连续可调信号，输出为五电平阶梯波，并进行小型的功率放大。理想的功率开关管在现实中不存在，大功率开关器件如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶体管(GTO)等，理论上可以实现作为阶梯波合成功放的功率开关，但需要复杂的驱动电路，实践中较难实现。因此，选择了易于实现的继电器作为功率开关。取直流电源为9 V，则经四级叠加，会产生幅值为36 V的五电平阶梯波。

3.2电路的基本构成及器件选择

(1) 阶梯波合成开关功率放大器由4个9 V直流电压、4个继电器、1个负载和主控系统模块组成。输入信号由信号发生器产生，输出信号由示波器检测和分析。

(2) 根据电路的需求和实际电路器件的功能，选择的芯片与模块搭配如下：

信号源：DDS信号发生器

比较器：OP37

反相器：40106

积分型单稳态触发器：7400，7404，100 Ω色环电阻，10 μF电容

同步JK触发器：7400，7410

功率开关管：TQ2(最大工作电压-5 V)继电器

直流电源：9 V干电池

负载：1 kΩ色环电阻

3.3电路搭建及波形输出

实验中，进行1路信号的模块搭建，利用焊锡将各模块连通，测试了2路信号合成1路的波形图，此方波信号正是控制继电器开断的控制信号。将4路控制信号接入功率开关后，通过控制开关使电源模块循环加到负载的两端，即可得到五电平阶梯波。将输入信号调为幅值为5 V、频率为100 Hz的正弦波，在信号输出端，通过调节示波器上扫描频率、幅度等参数，示波器将呈现输出波形。电路的实际构造和示波器上的波形显示如图9所示。

图9　五电平阶梯波合成图

从图9可看出五电平阶梯波的效果基本实现，但因使用的电子器件较多、继电器工作的不稳定，波形不够理想，要真正实现功率放大器功能还需进一步滤波，检查各器件的工作效能，选择更好的器件。

3.4搭建的注意事项

首先，将电源按要求调至特定电压，确认板子与各部分连接无误后再将电源连至电板，以防连接造成电板烧毁或其他不安全事件的发生。

其次，若电路出现故障，检查是否按要求将信号源连接至信号输入端，将示波器连接至信号输出端。检查无误后，用示波器或者万用表在各个检测点处分别测出此时该点的状态，判断是由于电压过大烧坏片子，还是接触不良导致电路不同电压为零，也可能是接线头接触造成短接或者干扰。

最后，四电路模块的搭建接线复杂，电源和接地头众多，要实现其工作性能需4路信号同时按模块依次进行连通，等输出波形效果理想后，再用导线连接下一模块，直到电路全通。阶梯波不理想，是由于功率开关的工作特性所引起的，因此选择正确良好的功率开关依然是目前最需要解决的问题。

4结束语

高效率、低失真是对开关功率放大器的要求。设计的阶梯波合成开关功率放大器实现了输入信号低频连续可调，输出信号功率放大且谐波分量小，为实际应用提供了一种新的方法。利用Multsim软件进行仿真，得到了五电平阶梯波，并分析了它的频谱特性，定量地得到了阶梯波可减少谐波所占能量74.5%。按芯片选择、模块检测、电路搭建顺序完成了设计，最后在示波器上出现了五电平阶梯波。实验中生成的阶梯波并不是最优化的，这取决于设置不同的比较电平，经频谱分析观察，谐波含量最小的为最优阶梯波形。要实现大功率功放，可以选择IGBT或GTO，在以后的研究中将重点研究大功率开关电路的阶梯波合成。可将大功率电路放大信号经功率合成器进行多级耦合放大，以实现更大功率的放大。

参考文献

[1]刘冬蒨.新型D类音频功率放大器设计[D].北京：北京交通大学，2009.

[2]杜少武，杨钰辉.基于PSM技术的高压开关电源研究[J].电工电能新技术,2006,25(3):43-46.

[3]曾盛，冯垛生.高次谐波及其抑制措施[J].现代电子技术,2002,24(90):42-44.

[4]钟顺洪.开关功率放大器的一种新型控制方法[D].重庆:重庆大学,2005.

Study and Realization of Stepwave Synthesis Switching Power Amplifier

LI Teng1,XU Chi1,WANG Yong-bin2,WANG Ling1

(1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China;2.Naval University of Engineer,Wuhan 430000,China)

Abstract:Aiming at type D switching power amplifier harmonic radiation has high power and jams other telecommunication systems,this paper puts forward the ideal of switching power amplification based on step wave synthesis,uses step wave modulation technology to construct step wave synthetic;designs a step wave synthesis switching power amplifier system combining with Multism software simulation to analyze the spectrum of system output signal.Through the circuit debugging,the five-level step wave outputs,which verifies the feasibility of the program.

Key words:step wave;switching power amplifier;harmonic analysis

收稿日期:2016-02-02

中图分类号：TN722.75

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0086-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.022