基于BUCK变换器的大功率脉冲功放设计

王德琦，方思然，金永镐

(延边大学 工学院，吉林 延吉133000)



基于BUCK变换器的大功率脉冲功放设计

王德琦，方思然，金永镐

(延边大学 工学院，吉林 延吉133000)

提出了一种利用BUCK变换器的警报器用大功率脉冲功率放大器，这种脉冲功率放大器采用BUCK变换器将输入电压连续改变到1.2～30 V后，提供给自举方式的脉冲功率驱动级，从而实现连续调节音量，可输出50 W以上的功率且效率可达90%以上。利用这种方式可避免使用价格昂贵的D类放大器，整体电路简单、工作稳定、维护简单，可大幅降低成本，提高生产能力和产品的竞争能力。

BUCK变换器；自举方式；调节音量；效率；电路简单

随着各种报警器被广泛应用于工业、农业、交通、医疗等行业的自动化设备，有效控制了各种事故的发生，起到了防患于未燃的作用。大功率警报器要求输出音量在130 dB以上，因此驱动级输出功率很大[1]，如果音量调节采用线性方式，效率仅为40%～60%，不但损耗功率大而且所需的散热片面积也很大，不利于安装也不节能[2-3]。

因此通常采用的方式为：(1)工作电压不变，调节信号周期并使信号的每个周期脉宽实现音量连续改变；(2)工作电压不变，使信号与占空比可调的高频信号相乘后输出，从而实现音量连续改变；(3)工作电压不变，使用D类放大器，实现音量连续改变[4-5]。这3种方式各有优缺点，因此本文采用采用高效率的BUCK变换器芯片把固定的输入电压连续改变到1.2～30 V的输出电压后，提供给特殊的脉冲功率驱动级，从而改变信号的幅度方式连续调节音量。这种方式不改变信号的成分，通过改变幅度从而解决了小音量时音色改变的问题。脉冲功率驱动级具有在1～100 V宽电压范围内开关方式工作的能力，效率>97%，且具有电路简单、稳定可靠地工作的特点。

利用具有高性能价格比的MK6A12单片机产生所需要的各种报警音源提供给脉冲功率驱动级，这种单片机具有较强的抗干扰能力，内含RC振荡器、WDT以及复位电路，与其他系列单片机相比，省去了很多外围元件，且价格低廉[6]，适用于各种工业控制器。

1 常用大功率警报器驱动电路分析

1.1 国际通用报警音源分析

表1列出了国际通用的几种报警音源的频率和用途。

表1 通用报警音源频率及用途

除了上述常用报警音源以外还有很多种类，可分为3大类：一是两种频率交替改变方式；二是频率连续改变方式；三是频率按一定的模式改变的方式[7]。通过分析可知所有的音源为频率分布范围为200～2 000 Hz，但有些波形的占空比仅为5%，所以脉冲宽度很窄。

1.2 大功率警报器中调节音量的方法

通常使用的脉宽方式调节音量的方法有两种，一是在音源信号的每个周期内按照衰减要求比例衰减高电平时间，实现脉宽调节[8]。频率不会改变，所以基频不会变，但平均电压降低，从而音量可被调节。这种方法的优点是音源的频率与开关管的工作频率相同，因此效率高。缺点是基频虽然不变，但音色却改变，音量越小时，音色改变量越大[9-10]。且处理占空比很小的波形时脉宽过窄音色被改变。

二是用音源信号和占空比可调的信号相乘的方法也可实现脉宽调节[11]，但相乘的信号频率应在15 kHz以上。这种方案的优点是改变音量时音色基本不变，但相乘的信号频率为15 kHz以上。缺点为：(1)相乘信号的频率很高，因此开关管工作在高速状态下，效率降低；(2)要求相乘的信号波形的上升沿与音源波形的上升沿必须同步，否则产生噪音；(3)以连续调频改变量较慢时，随周期变短则减少一个高频脉冲，音量减少一些，因此小音量时可出现严重的周期性的“嘟、嘟”声音[12-13]。且处理占空比很小的波形时脉宽过窄音色被改变。

还有一种方法是使用D类放大器可连续改变音量，但电路复杂、成本很高[14]。

2 脉冲功率放大器的总体设计

2.1 整体设计框图

整体电路框图如图1所示，由输出电压可调的BUCK型变换器把24 V输入电压转换成1.2～24 V连续改变的电压，由音量调节电位器调节输出电压。

图1 整体电路框图

宽电压范围工作的脉冲功率驱动器将1.2～24 V电压转换成与音源相对应的脉冲幅度，从而可连续改变音量。报警音源由MK6A12单片机产生后提供给宽电压范围工作的脉冲功率驱动器。

2.2 输出电压可变的BUCK型驱动电源设计

LM2596ADJ芯片的最大工作电压为45 V，可输出1.2～37 V的电压，负载电流为3 A占空比在0～100%范围内工作，输出3 A时效率为90%，外围元件较少[15]。图2为工作电路图，把24 V输入电压转换成1.2～24 V连续改变的电压。

图2 BUCK型驱动电源电路图

当调节输出电压时为了提高跟踪能力，采用恒流型反馈模式，在1.2～24 V范围内对输出电容C0具有恒流放电能力。反馈端的UFB=1.235 V，R1=1 kΩ，则R1的电流由式(1)决定，与输出电压UO无关

(1)

当UO的分压值达到UFB时，芯片开始通过反馈控制输出电压，即满足式(2)

(2)

RX为音量调节电位器的阻值，由式(2)可得输出电压式(3)，可知最小电压为UFB

UO=UFB(1+RX/R1)

(3)

RX使用20 kΩ标称值的电位器，则可得到约为26 V的最大电压，由于芯片的工作电压为24 V，实际可输出24 V的最大电压。由于BUCK变换器的输出电压作为脉冲幅度提供给扬声器，因此要求调节电压时不能存在10 kHz以下的脉动电压，否则在扬声器发出干扰声音。

2.3 脉冲功率驱动级设计

图3为在1～100 V宽电压范围内工作的自举方式的脉冲功率驱动级电路图。采用BTL驱动方式D2、R2、C2组成自举电路，保证A点的电压总是高于B点约为5 V，从而Q1可靠地饱和导通。

S_OUT1和S_OUT2由音源单片机提供互为反相，当信号为高电平时Q3、D4导通，B点的电压约为0.3 V则C2通过D2充电，充电电压约为4.7 V。当信号为低电平时Q3、D4截止，A点的电压开始上升，Q1开始导通。由于A点的电压被C2的电压自举，因此A点的电压总是高于B点约为5 V，从而Q1可靠地饱和导通。B点和C点的电压总是反相，因此负载获得约为24-0.6=23.4 V的驱动电压。

图3 自举方式的脉冲功率驱动级电路图

2.4 驱动用音源的设计

图4为由MK6A12单片机组成的音源电路。使用内部4 MHz频率PB口除了PB3以外都具有上拉能力，所以无需上拉电阻，通过3位DIP开关S1可组合出8种状态，可输出8种音源。PB0和PB1具有20 mA的驱动能力且频率低于2 kHz，可直接驱动Q3、Q4场效应管也能获得理想的驱动波形。

图4 MK6A12单片机组成的音源电路

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

图5～图7分别为BUCK变换器输出电压分别为1.3 V、12 V、23 V时各点电压的波形。

图5 输入电压为1.3 V时各点电压波形图

图6 输入电压为12 V时各点电压波形图

图7 输入电压为23 V时各点电压波形图

实验表明，由于这种脉冲驱动器使用了场效应管作为开关管，可工作1～100 V宽电压范围内，工作频率可达20 kHz，可以满足驱动2 kHz以下音源频率的要求。

3.2 输出功率分析

通常使用的报警器用扬声器电阻RL为6 Ω和8 Ω两种，为便于计算不考虑阻抗因素，当输出24 V时电流分别为3.87 A和3 A,由于LM2596芯片的最大负载电流为3 A,因此根据式(4)可得最大输出功率为6 Ω时54 W，8 Ω时72 W。实际输出时应考虑阻抗因素，因此输出功率略为降低

P=I2RL

(4)

如果需要更大的功率则提高工作电压到40 V，并选用LM22679芯片,该芯片的最大工作电压为43 V，负载电流为5 A，外围元件也较少。

4 结束语

实验证明，当输入不同的音源，并且连续改变音量时的效果很好，特别是输入窄脉冲的音源时音色不变。输出50 W以上的瞬时功率时整个电路变换效率>85%，且具有整体电路简单、工作稳定、维护简单的特点。利用这种方式可避免使用价格昂贵的D类放大器，且能达到比D类放大器更好的音色效果、从而可大幅降低成本，提高产品的生产和竞争能力。

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Design of High Power Pulse Power Amplifier Based on BUCK Converter

WANG Deqi，FANG Siran，JIN Yonggao

(School of Engineering,Yanbian University，Yanji 133000，China)

Put forward a way to use the alarm based on BUCK converter with high power pulse power amplifier, the pulse power amplifier adopts the BUCK converter, continuously changing the input voltage to 1.2 ～ 30 V, then provided to the pulse power driver stage by bootstrap mode, so as to realize the volume is continuously adjusted. The power can output more than 50 W and the efficiency can reach above 90%.Using this approach can avoid to use the expensive class of D-amplifier, the whole circuit is simple,stable and easy maintenance, can greatly reduce the cost and improve the production capacity and product competition ability.

BUCK converter;bootstrap mode;adjust the volume;efficiency;simple circuit

2016- 09- 14

王德琦(1995-)，男，本科。研究方向：智能开关技术及智能变换。方思然(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：智能开关技术及智能变换。金永镐(1964-)，男，博士，教授。研究方向：智能开关技术及智能变换。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.045

TM925.9

A

1007-7820(2017)08-162-04