ＰＳＭ脈沖面積調(diào)制功率放大器在水聲領(lǐng)域的應(yīng)用

魏玉華

摘要: 本文介紹了一種新型功率放大器,并對(duì)其采用的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用做了簡(jiǎn)要分細(xì)和闡述，給出了這種新型功率放大器在水聲領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PSM；技術(shù)分析；應(yīng)用前景

1 引言

水聲領(lǐng)域中模擬的功率放大器經(jīng)過(guò)了幾十年發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，其技術(shù)性能已經(jīng)相當(dāng)成熟。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字功放的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其高效率、小體積的優(yōu)勢(shì)被人們高度重視，極大的激發(fā)了人們對(duì)其應(yīng)用的研究興趣。

數(shù)字功放的概念早在20世紀(jì)60年代就有人提出了，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，進(jìn)展一直較慢。1983年，M.B.Sandler等學(xué)者提出了D類(lèi)放大的PCM（脈碼調(diào)制）數(shù)字功放的基本結(jié)構(gòu)。主要技術(shù)要點(diǎn)是如何把PCM信號(hào)變成PWM（脈沖調(diào)寬信號(hào)）。本文介紹了一種PSM（脈沖面積調(diào)制）數(shù)字功率放大器技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用，這是一種新型功率放大器，它成功克服了傳統(tǒng)功率放大器固有的效率與失真二者不能兼顧的缺陷，是功率放大器的一次技術(shù)革命。

2 主要性能特點(diǎn)

PSM功率放大器，主要應(yīng)用于音頻功率放大。它的顯著特點(diǎn)是寬頻帶、效率高、失真度低。在純阻負(fù)載條件下，效率很容易達(dá)到95％以上（在額定功率的1/10條件下，效率也能達(dá)到60％以上），總諧波失真度THD＋N＜0.2%，失真度性能已經(jīng)達(dá)到高保真音響的指標(biāo)；比較而言，目前性能較好的D類(lèi)功放也只能達(dá)到80－90％的效率。

瞬態(tài)響應(yīng)好，抗過(guò)載能力強(qiáng)，通過(guò)于負(fù)載適當(dāng)?shù)墓β势ヅ洌哂幸欢ǖ念l率補(bǔ)償效應(yīng)。

3 核心技術(shù)

PSM（脈沖面積調(diào)制）數(shù)字功率放大器核心技術(shù)包括：脈沖面積調(diào)制數(shù)字功率處理技術(shù)、零電壓轉(zhuǎn)換數(shù)字功率處理技術(shù)。

脈沖面積調(diào)制技術(shù)采用通信技術(shù)中的小信號(hào)適應(yīng)算法和估計(jì)算法，將輸入信號(hào)和負(fù)載電流經(jīng)過(guò)數(shù)字處理后的輸出信號(hào)控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)閉。這種處理方法克服了脈沖前、后沿延遲和頂部?jī)A斜引起的失真。PSM數(shù)字功率放大器的另一項(xiàng)核心技術(shù)是零電壓轉(zhuǎn)換數(shù)字功率處理技術(shù)，使其效率達(dá)到80％～90％，在十分之一的額定功率下，效率也可以達(dá)到50％～60％左右，遠(yuǎn)高于AB類(lèi)（甲乙類(lèi)）功率放大器的指標(biāo)。

以上核心技術(shù)包括信號(hào)處理算法和驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)利用先進(jìn)的HVIC（高壓集成電路）半導(dǎo)體工藝集成在芯片中，功率處理芯片DPP2000。

4 應(yīng)用

PSM數(shù)字功率放大器的應(yīng)用非常廣泛，但在水聲工程領(lǐng)域的應(yīng)用一直是一個(gè)空白。由于裝備對(duì)新技術(shù)應(yīng)用的滯后性，到目前為止，聲納線性功率放大器一般采用甲乙類(lèi)功率放大器，功率放大部分要占用整整一個(gè)機(jī)柜，一般分為功率模塊，輸出變壓器、電源模塊以及輔助模塊等。為保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還要采用降額設(shè)計(jì)原則，所以甲乙類(lèi)功率放大器工作效率只能達(dá)到40％左右，加上換能器的功率匹配損失，效率低于40％。由于效率低，系統(tǒng)損耗大，必須要有良好的散熱系統(tǒng)，而加裝電源風(fēng)扇必然增加噪聲抑制和電磁設(shè)計(jì)的難度。

在水聲領(lǐng)域，由于功率越大聲納傳輸距離越遠(yuǎn)，所以通信聲納一般都需要大功率放大器，裝備的體積龐大，設(shè)計(jì)難度也很高。所以對(duì)線性功率放大器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，高效率，低失真度，體積小的寬帶功率放大器一直都是各種聲納系統(tǒng)的理想功率放大器。

近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)在水聲領(lǐng)域已經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用，例如：偽隨機(jī)擴(kuò)頻信號(hào)，OFDM信號(hào)等等。但是高峰平比寬帶信號(hào)的研究和應(yīng)用受到傳統(tǒng)線性功率放大器性能的限制，OFDM信號(hào)帶寬一般都在幾KHz以上，峰平比較高，但OFDM信號(hào)又需要進(jìn)行線性功率放大，模擬功率放大器在大功率條件下難以平衡效率和失真度等指標(biāo)要求。而PSM功率放大器，瞬態(tài)響應(yīng)好，抗過(guò)載能力強(qiáng)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓β势ヅ洌m用于不同的阻抗特性的負(fù)載，PSM功率放大器的性能特點(diǎn)非常適合水聲領(lǐng)域的應(yīng)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，但最終實(shí)現(xiàn)效率的高低與功率放大器和負(fù)載的匹配狀態(tài)有關(guān)。

5 應(yīng)用實(shí)例

在與中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所合作的某預(yù)研項(xiàng)目中，就運(yùn)用了采用PSM技術(shù)的功率放大器，該功率放大器采用 68V直流電源供電，額定輸出功率為2000W，功率放大模塊外形尺寸為 270 x 168 x 270 (mm) ，重量20Kg，與通信聲納通用換能器匹配之后的聲源級(jí)能達(dá)到200dB,該功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)與功率放大模塊設(shè)計(jì)在一起，通過(guò)一組開(kāi)關(guān)電源，負(fù)責(zé)把電池組輸出的48V直流電源轉(zhuǎn)換為 72V直流電源。與現(xiàn)役的通信聲納的線性功率放大器相比，采用PSM技術(shù)的功率放大器有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

a.體積比現(xiàn)役的功率放大模塊的體積要小一半之多；

b.由于效率較高，短時(shí)間內(nèi)發(fā)熱量不大，不需要額外的被動(dòng)散熱裝置，這樣就減小了環(huán)境噪聲；

c.達(dá)到同樣的聲源級(jí)要比現(xiàn)役的功率放大器消耗的電功率少將近一半；

d.由于匹配網(wǎng)絡(luò)與功率放大模塊設(shè)計(jì)在一起，現(xiàn)役的通信聲納如要采用PSM技術(shù)的功率放大器，其匹配轉(zhuǎn)換裝置的體積就可大大縮小。

又如在某通信聲納設(shè)備中，也使用了采用PSM技術(shù)的功率放大器，功率放大模塊與匹配網(wǎng)絡(luò)為一體設(shè)計(jì)，額定功率為800瓦，尺寸僅為270 x 195 x 125 (mm)，發(fā)射聲源級(jí)能達(dá)到199.7 dB,加上把220交流電源轉(zhuǎn)換為 72V的電源板，總尺寸也不會(huì)增加太多，匹配之后全功率發(fā)射時(shí)加在換能器上的電功率與消耗的總電功率之比達(dá)65%以上。該產(chǎn)品在試驗(yàn)時(shí)通信效果很好。

6 優(yōu)越性

從PSM功率放大器的應(yīng)用情況我們可以看到：

同樣的發(fā)射功率PSM功率放大器體積是模擬線性功率放大器的1/5；重量是1/10。充分體現(xiàn)了PSM功率放大器的優(yōu)越性。

如果不是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)射，PSM功率放大器主機(jī)幾乎不發(fā)熱。主機(jī)設(shè)有開(kāi)關(guān)電路，在關(guān)閉狀態(tài)，功耗幾乎為零，開(kāi)關(guān)電路控制功放開(kāi)機(jī)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到毫秒級(jí)，在幾個(gè)毫秒內(nèi)可以從關(guān)閉狀態(tài)達(dá)到滿功率發(fā)射狀態(tài)。因此功放部分可以不必安裝散熱風(fēng)扇，只用加裝散熱片即可，這在工程上可以大大降低散熱時(shí)的風(fēng)燥和因開(kāi)窗帶來(lái)的電磁泄露。

主動(dòng)聲納負(fù)載一般為壓電陶瓷換能器，容性負(fù)載，需要進(jìn)行匹配變換，PSM功率放大器 0W和2000WPSM功放的功率匹配單元尺寸都較小，可以安裝在機(jī)箱內(nèi)部，更換不同的匹配單元驅(qū)動(dòng)不同阻抗特性的負(fù)載。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)PSM功率放大器主要特點(diǎn)及核心技術(shù)進(jìn)行了深入分析研究，并與模擬的功率放大器進(jìn)行了實(shí)際對(duì)比，總結(jié)了PSM功率放大器的優(yōu)越性，對(duì)PSM功率放大器在實(shí)際應(yīng)用中前景和需求進(jìn)行了闡述，明確提出了PSM功率放大器在主動(dòng)聲納中具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，尤其是比線性功率放大器有著比較明顯的優(yōu)越性。