基于新型單周控制技術的開關功率放大器

丁冠叢

摘 要：文章分析了新型單周非線性PWM控制開關功率放大器的延時問題和因為延時而引發的直流偏置問題，作者提出了電壓補償解決方案，并給出了補償電壓的計算公式。從補償前后的系統仿真結果的比較中可以看出，電壓補償方案有效地消除了延時問題，而且還改善了功率放大器的總諧波畸變率（THD），驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：功率放大器；單周控制；全橋；PWM；THD

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

本文主要分析了完善后的單周控制開關功率放大器和其存在的直流偏置問題及其原因，最后提出了電壓補償的改進方案并對補償前后的放大器進行了仿真研究。

1 單周控制技術

單周控制理論已經成功應用在了開關音頻功率放大器中。開關音頻功率放大器由比較器、RS觸發器和帶復位功能的積分器組成，具有下面三個突出的特點：

（1）單周控制使開關變量在一個開關周期中精確地跟蹤參考信號，動態響應速度快，系統性能主要由輸出濾波器決定。（2）單周控制能有效地消除電源紋波干擾，不需要高精度的直流電源，有利于簡化系統，降低成本。（3）單周控制自動地更正功率開關的暫態誤差和導通誤差，因此不需要開關元件的精確配對，輸出沒有交越失真，能得到很高的線性度。

雖說單周控制的開關功率放大器具有許多優點，但考慮到其提出時間很短，確實還存在許多沒有解決的問題。并且，單周控制的開關功率放大器還需要快速復位積分器，增加了其設計成本。

2 經典的單周控制技術原理

非線性大信號PWM控制理論是一種模擬PWM的控制技術，也被稱為經典單周控制技術。它在90年代初被發展起來，是通過控制占空比，使每個開關周期中開關變量的平均值嚴格等于或正比于控制參考量。因此，經典單周控制的開關功率放大器具有以下三個主要優點：

（1）開關變量在一個開關周期中的平均值與參考信號成線性關系，系統的動態性能由輸出濾波器決定。（2）經典單周控制方法能在每個開關周期中有效地消除電源紋波干擾，因此其不要求直流電源需要高精度，并且電路結構簡單。（3）經典單周控制在每個開關周期中都能精確地使開關變量的平均值跟隨參考信號，自動更正開關誤差，動態響應速度快。

3 基于新型單周控制技術的開關功率放大器

新型單周控制技術的開關功率放大器，主電路部分包括了交流電源、整流橋、開關、電感和電容構成的濾波器等。控制電路部分主要包括帶復位開關的積分器、比較器、RS觸發器等。其工作原理是：在每個開關周期中，使開關變量和控制參考信號之間的誤差為零，并以此來獲得經典單周控制技術的控制效果，同時在每個周期內調節導通和關斷時間使開關頻率接近恒定以此來改善開關功率放大器的性能。在狀態S1周期中，當滿足兩個電路電壓相同時，整個放大器系統就會從關閉狀態進入閉合狀態。在狀態使周期中，COMP的輸出會從低電平變化到高電平，控制輸入的開關導通，控制觸發器的開關關閉，此時積分器的電壓達到一定值就恢復位產生復位脈沖從而實現放大器的單周循環。單周循環放大器主要是控制不同的開關來改變不同位置的電壓，積分器就會產生不同的電位差，從某個狀態進入另一個狀態，積分器也會隨之進行變化達到放大器的功能。通過實驗得出結論控制變量在每個開關周期內的平均值與出入電壓呈正相關的趨勢，相位卻是完全相反的。濾波器的性能對放大器的功率影響是非常大的，其他參數對放大器的功率影響幾乎可以忽略不計。

4 直流偏置分析及補償

功率放大器在實際工作中還會受窄脈沖的影響，前面的實驗基礎為了方便忽略了窄脈沖因素，實驗環境是窄脈沖理想化的條件，還應該考慮窄脈沖對實驗的影響，把窄脈沖因素加之進去，因此對實驗結果作直流偏置分析以及補償實驗是非常要必要的，這樣才能保證實驗結果的有效可靠。

首先必須削弱產生的復位脈沖信號造成的對整個電路直流偏執的影響，為此引入補償電壓、削弱直流偏置的方法，但是實驗環境一定要確保變量統一，在整個電路的同向段進行實驗。經過精密的實驗分析對實驗結果進行了總結發現，實際得出的輸出電壓要小于理論值，可見復位信號引起的支流偏差在放大器實際工作中還是有一定的影響，盡管影響不是很大。通過補償電壓的方法保證了兩個比較器兩端的輸出電壓相同，經過計算發現復位脈沖信號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問題，這對整個實驗有重大的意義。

5 仿真研究

通過實驗我們取得了暫時的成功，為了保證實驗結果的真實性、可行性，有必要對實驗結果進一步地進行仿真研究和認證。仿真實驗在精密的SIMULINK儀器上進行，這臺儀器的精密程度完全可以保證試驗結果的準確性以及降低最小的誤差，從而幫助整個實驗成功完成，達到實驗的目的和意義。首先要在仿真儀器上設置好仿真電路的各項參數，包含：電源電壓、偏置電壓、開關頻率、電感、電容、濾波器的截止頻率、電阻值、等等一系列涉及的參數值，在保證輸入信號相同的情況下，做了多組數據仿真了補償前和補償后的電路。

仿真結果證明通過電壓補償，輸出信號可以更好地跟蹤信號輸入信號，兩者之間成線性關系變化，相位差相差160度，這很有力地說明電壓補償成功有效地消除了偏置電流的影響，解決了實際工作中電流偏置帶來的多于消耗，可以有效地改善功率放大器實際工作環境，提升功率放大器的性能，新型功率放大器遠遠優于傳統的放大器。而且通過波形圖發現，補償前存在很大的諧波，而補償后諧波、紋波基本消失，補償前電流偏置造成的信號失真現象也消失了，補償后的保真度非常高，效果非常好，仿真結果很成功，這對功率放大器的改進有重要的參考價值。

6 結語

綜上所述，本文經過縝密的實驗研究了基于新型單周控制的開關功率放大器，通過實驗的數據作出了精確地推導計算得出了可靠的實驗結論，解決了延時問題和電流偏置問題，通話過電壓補償方案進行了仿真論證，證明電壓補償可以有效地解決單周控制開關放大器的電流偏差，改善了開關放大器的性能，肯定了理論分析的正確性。

參考文獻：

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