跟蹤電源供電的高效率B類功率放大器

摘要:該文研究了一種跟蹤電源供電的改進(jìn)B類線性功率放大器。與傳統(tǒng)直流供電的B類功率放大器不同，改進(jìn)的功率放大器采用跟蹤電源供電，使得功率放大器輸出對管的管壓降大大降低，從而效率得到很大程度的提高。理論分析了改進(jìn)功率放大器的工作原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了思路的可行性。

關(guān)鍵詞:B類放大器;高效率;跟蹤電源;電源紋波抑制比

中圖分類號:TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5865-02

High Efficiency Class B Power Amplifier Fed by Tracking Power Supply

ZHU Yi-fei

(East China Institute of Electronics， Hefei 230031， China)

Abstract: An improved Class B power amplifier fed by a tracking power supply is investigated in the paper. The proposed the Class B power amplifier， powered by the tracking power supply which is different from conventional constant DC supplied Class B power amplifier， has much less voltage drop across the output power transistors that lead to higher efficiency. The operating principle of the improved Class B power amplifier is analyzed; experimental results verify the validity of the scheme.

Key words: class B power amplifier; high efficiency; tracking power supply; power supply rejection ratio (PSRR)

功率放大器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如Hi-Fi音頻產(chǎn)品、測試裝置、電力系統(tǒng)諧波的發(fā)生及非電現(xiàn)象的模擬等領(lǐng)域中。目前，在一些對波形要求嚴(yán)格的場合仍然采用傳統(tǒng)的線性功率放大器，這是因?yàn)榫€性功率放大器具有失真度低、動態(tài)響應(yīng)特性快和頻帶寬等開關(guān)功率放大器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但嚴(yán)重的功耗問題使得系統(tǒng)體積龐大，難以整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文研究了一種跟蹤電源供電的改進(jìn)型線性功率放大器[1-2]，該方案基于傳統(tǒng)B類線性功率放大器結(jié)構(gòu)，提出對B類放大器采用動態(tài)跟蹤電源供電，使得功率放大器互補(bǔ)輸出對管的工作管壓降和損耗大大降低，從而效率得到很大程度的改善。圖1(a)為跟蹤電源供電的改進(jìn)型B類功率放大器電路拓?fù)洌渲芯€性功率單元源于射(源)極輸出器型線性電路拓?fù)?，跟蹤供電電源采用兩個正、負(fù)電源工作的降壓型開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)，與電壓增益級受控于同一個參考信號。跟蹤供電電源的輸出電壓uS與系統(tǒng)期望輸出同形、同頻、同相位且幅值略高于系統(tǒng)輸出，作為線性功率單元的動態(tài)跟蹤電源，替代傳統(tǒng)的直流供電，并借助線性功率單元良好的跟隨特性，使得改進(jìn)型B類功率放大器能兼顧高效率與高正弦度輸出的綜合優(yōu)良特性。圖1(b)為工作波形示意圖。uS+與uS-分別為正、負(fù)半周輸出跟蹤電源，輸出電壓允許存在一定的輸出電壓紋波，并不會對輸出電壓uO造成影響。

1 損耗計(jì)算與效率優(yōu)化

與傳統(tǒng)恒定直流供電的B類線性功率放大器最大的不同在于，改進(jìn)B類功率放大器的末級線性功率輸出單元采用動態(tài)跟蹤電源供電，以減小輸出功率管的壓降， 從而降低功率損耗提高系統(tǒng)效率。假設(shè)輸出電壓

(1)

則輸出功率為

(2)

對于傳統(tǒng)恒定直流供電B類放大器，末級功率管的功率損耗為

(3)

而動態(tài)跟蹤電源供電時末級功率管的功率損耗則為

(4)

其中 UD 為功率管的導(dǎo)通壓降，理想情況下為恒定值。

若 PSLH 定義Pclass-B與的β比值如下

(5)

一般情況下，US/Um的值稍大于1，因此β<<1，這說明對于同樣的B類線性功率放大器電路結(jié)構(gòu)，改進(jìn)B類功率放大器采用動態(tài)跟蹤電源供電與傳統(tǒng)直流供電相比，在輸出功率較大的工業(yè)應(yīng)用場合，其末級線性功率管的損耗得到較大的降低。

為了計(jì)算改進(jìn)B類功率放大器的整體效率，其開關(guān)電源部分必須加以考慮，那么系統(tǒng)總損耗為

(6)

其中Pswitching和Plinear分別為開關(guān)電源與線性功率單元的損耗，Cs、Vds、fs、Vos和D分別為開關(guān)電源的吸收電容、輸入電壓、開關(guān)頻率、穩(wěn)態(tài)輸出平均電壓及占空比。

令dPTOT/dfs=0，則可以得到損耗最小情況下的最佳開關(guān)頻率

(7)

2 電源紋波抑制比(PSRR)

電源紋波抑制比(PSRR)是衡量一個電路在各個頻率段對輸入電壓紋波的抑制作用，尤其對線性電路而言是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。這里將通過建立改進(jìn)B類功率放大器末級線性功率單元的等效電路模型來研究其電源紋波抑制比PSRR如何影響功率放大輸出質(zhì)量。圖3為改進(jìn)B類功率放大器末級線性功率單元的等效電路，根據(jù)KVL與KCL定律可以推導(dǎo)出PSRR的傳遞函數(shù)為

(8)

根據(jù)不同的門極接入電阻可以得到PSRR曲線如圖4所示。

該圖表明:1) PSRR在低頻段的變化斜率為-20dB/dec，在轉(zhuǎn)折頻率1/(2πCgd (RG+ZOS))以上，改進(jìn)B類功率放大器線性輸出級對開關(guān)電源輸出電壓諧波將無衰減作用;2)隨著RG的增大，改進(jìn)B類功率放大器輸出級對供電電源的諧波抑制能力降低。表1列出了 PSRR在RG分別為100Ω、200Ω和500Ω時對于開關(guān)頻率及其邊帶諧波成分的衰減值。由表可知，應(yīng)在滿足開關(guān)功率級輸出濾波器設(shè)計(jì)要求的條件下盡可能減小RG的值。

表1PSRR在不同情況下的紋波衰減值

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于理論分析與計(jì)算，研制了一臺100VA容量的改進(jìn)B類功率放大器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)如下:直流母線電壓E=110V，開關(guān)頻率fs=100kHz，負(fù)載為功率繞線電阻箱，其直流電阻為100Ω。圖5為2kHz正弦輸出實(shí)驗(yàn)波形，從圖中可以看出，跟蹤電源輸出電壓uS+與uS-均對輸出電壓起到了良好的跟蹤效果，盡管跟蹤電源輸出電壓存在一些紋波，但并未對輸出電壓造成影響，這從一定程度上保證了B類放大器的輸出波形質(zhì)量。圖6為效率曲線，可以看出，采用跟蹤電源供電的B類功率放大器的效率可以達(dá)到80%左右，而傳統(tǒng)恒定直流供電的B類放大器理論最大效率為75%。

4 結(jié)論

本文探討了一種采用跟蹤電源供電的高效率B類功率放大技術(shù)，其核心思想在于:采用PWM開關(guān)濾波電路作為末級線性功率單元的動態(tài)跟蹤電源，控制線性功率放大單元工作于低壓差線性區(qū)，提高了系統(tǒng)整體效率，使整體系統(tǒng)近似等效為一個比例功率放大器。改進(jìn)B類功率放大器繼承了B類線性功率放大器的優(yōu)良特性，可以實(shí)現(xiàn)高效率與優(yōu)良波形輸出兼顧。改進(jìn)B類功率放大器避免了采用復(fù)雜的控制策略和電路拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)簡單，節(jié)約成本，為中高功率場合音頻范圍功率放大技術(shù)的研究提供了一個新的參考思路。

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