基于新型单周控制技术的开关功率放大器

丁冠丛

摘 要：文章分析了新型单周非线性PWM控制开关功率放大器的延时问题和因为延时而引发的直流偏置问题，作者提出了电压补偿解决方案，并给出了补偿电压的计算公式。从补偿前后的系统仿真结果的比较中可以看出，电压补偿方案有效地消除了延时问题，而且还改善了功率放大器的总谐波畸变率（THD），验证了理论分析的正确性。

关键词：功率放大器；单周控制；全桥；PWM；THD

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.204

本文主要分析了完善后的单周控制开关功率放大器和其存在的直流偏置问题及其原因，最后提出了电压补偿的改进方案并对补偿前后的放大器进行了仿真研究。

1 单周控制技术

单周控制理论已经成功应用在了开关音频功率放大器中。开关音频功率放大器由比较器、RS触发器和带复位功能的积分器组成，具有下面三个突出的特点：

（1）单周控制使开关变量在一个开关周期中精确地跟踪参考信号，动态响应速度快，系统性能主要由输出滤波器决定。（2）单周控制能有效地消除电源纹波干扰，不需要高精度的直流电源，有利于简化系统，降低成本。（3）单周控制自动地更正功率开关的暂态误差和导通误差，因此不需要开关元件的精确配对，输出没有交越失真，能得到很高的线性度。

雖说单周控制的开关功率放大器具有许多优点，但考虑到其提出时间很短，确实还存在许多没有解决的问题。并且，单周控制的开关功率放大器还需要快速复位积分器，增加了其设计成本。

2 经典的单周控制技术原理

非线性大信号PWM控制理论是一种模拟PWM的控制技术，也被称为经典单周控制技术。它在90年代初被发展起来，是通过控制占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。因此，经典单周控制的开关功率放大器具有以下三个主要优点：

（1）开关变量在一个开关周期中的平均值与参考信号成线性关系，系统的动态性能由输出滤波器决定。（2）经典单周控制方法能在每个开关周期中有效地消除电源纹波干扰，因此其不要求直流电源需要高精度，并且电路结构简单。（3）经典单周控制在每个开关周期中都能精确地使开关变量的平均值跟随参考信号，自动更正开关误差，动态响应速度快。

3 基于新型单周控制技术的开关功率放大器

新型单周控制技术的开关功率放大器，主电路部分包括了交流电源、整流桥、开关、电感和电容构成的滤波器等。控制电路部分主要包括带复位开关的积分器、比较器、RS触发器等。其工作原理是：在每个开关周期中，使开关变量和控制参考信号之间的误差为零，并以此来获得经典单周控制技术的控制效果，同时在每个周期内调节导通和关断时间使开关频率接近恒定以此来改善开关功率放大器的性能。在状态S1周期中，当满足两个电路电压相同时，整个放大器系统就会从关闭状态进入闭合状态。在状态使周期中，COMP的输出会从低电平变化到高电平，控制输入的开关导通，控制触发器的开关关闭，此时积分器的电压达到一定值就恢复位产生复位脉冲从而实现放大器的单周循环。单周循环放大器主要是控制不同的开关来改变不同位置的电压，积分器就会产生不同的电位差，从某个状态进入另一个状态，积分器也会随之进行变化达到放大器的功能。通过实验得出结论控制变量在每个开关周期内的平均值与出入电压呈正相关的趋势，相位却是完全相反的。滤波器的性能对放大器的功率影响是非常大的，其他参数对放大器的功率影响几乎可以忽略不计。

4 直流偏置分析及补偿

功率放大器在实际工作中还会受窄脉冲的影响，前面的实验基础为了方便忽略了窄脉冲因素，实验环境是窄脉冲理想化的条件，还应该考虑窄脉冲对实验的影响，把窄脉冲因素加之进去，因此对实验结果作直流偏置分析以及补偿实验是非常要必要的，这样才能保证实验结果的有效可靠。

首先必须削弱产生的复位脉冲信号造成的对整个电路直流偏执的影响，为此引入补偿电压、削弱直流偏置的方法，但是实验环境一定要确保变量统一，在整个电路的同向段进行实验。经过精密的实验分析对实验结果进行了总结发现，实际得出的输出电压要小于理论值，可见复位信号引起的支流偏差在放大器实际工作中还是有一定的影响，尽管影响不是很大。通过补偿电压的方法保证了两个比较器两端的输出电压相同，经过计算发现复位脉冲信号引起的直流偏差部分成功被抵消掉，成功地消弱了直流偏置的问题，这对整个实验有重大的意义。

5 仿真研究

通过实验我们取得了暂时的成功，为了保证实验结果的真实性、可行性，有必要对实验结果进一步地进行仿真研究和认证。仿真实验在精密的SIMULINK仪器上进行，这台仪器的精密程度完全可以保证试验结果的准确性以及降低最小的误差，从而帮助整个实验成功完成，达到实验的目的和意义。首先要在仿真仪器上设置好仿真电路的各项参数，包含：电源电压、偏置电压、开关频率、电感、电容、滤波器的截止频率、电阻值、等等一系列涉及的参数值，在保证输入信号相同的情况下，做了多组数据仿真了补偿前和补偿后的电路。

仿真结果证明通过电压补偿，输出信号可以更好地跟踪信号输入信号，两者之间成线性关系变化，相位差相差160度，这很有力地说明电压补偿成功有效地消除了偏置电流的影响，解决了实际工作中电流偏置带来的多于消耗，可以有效地改善功率放大器实际工作环境，提升功率放大器的性能，新型功率放大器远远优于传统的放大器。而且通过波形图发现，补偿前存在很大的谐波，而补偿后谐波、纹波基本消失，补偿前电流偏置造成的信号失真现象也消失了，补偿后的保真度非常高，效果非常好，仿真结果很成功，这对功率放大器的改进有重要的参考价值。

6 结语

综上所述，本文经过缜密的实验研究了基于新型单周控制的开关功率放大器，通过实验的数据作出了精确地推导计算得出了可靠的实验结论，解决了延时问题和电流偏置问题，通话过电压补偿方案进行了仿真论证，证明电压补偿可以有效地解决单周控制开关放大器的电流偏差，改善了开关放大器的性能，肯定了理论分析的正确性。

参考文献：

[1]万英飞.郝建 基于新型单周控制的开关功率放大器的研究实验[D].西南交通大学，2016.

[2]刘明飞，许建平，吴松荣.应用新型单周控制技术的开关功率放大器综合研究[J].变流技术与电力牵引，2017.

[3]龚伟，孙萌，王丽丽.单周控制开关功率放大器的研究[D].重庆大学物理实验室，2016.endprint