階梯波合成開關功率放大器的研究與實現

李　騰，徐　池，王永斌，汪　玲

(1.海軍大連艦艇學院,大連 116018；2.海軍工程大學，武漢 430000)

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階梯波合成開關功率放大器的研究與實現

李騰1，徐池1，王永斌2，汪玲1

(1.海軍大連艦艇學院,大連 116018；2.海軍工程大學，武漢 430000)

摘要：針對D類開關功率放大器諧波輻射功率大且對其他電信系統造成干擾的問題，提出基于階梯波合成的開關功率放大的思想。利用階梯調制技術，構建階梯波合成的思路；結合Multism軟件仿真，設計一個階梯波合成開關功率放大系統，對系統輸出信號進行頻譜分析，經電路調試，輸出了五電平階梯波，驗證了方案的可行性。

關鍵詞：階梯波；開關功率放大器；諧波分析

0引言

進入21世紀以來，電力電子技術得到了高速發展，功率放大器[1]更廣泛地應用于社會生活，比如功率較小的音頻系統，國防建設領域里的大功率發射裝置、醫學檢測領域里的核磁共振器、水下搜救的聲吶探測裝置等。

然而實際的功率放大器總是存在放大效率與波形質量不可兼得的矛盾。現階段使用的線性功率放大器與開關功率放大器相比，效率低，可靠性差，開關功放必將其逐步代替。簡單的開關功放由于諧波成分大，用于大功率超低頻發射系統時，會對其他電子系統造成諧波干擾，降低了輻射效率。為此，通過采用多電平技術[2]，利用Multism軟件仿真，研制了階梯波合成的開關功放,從而獲得了較高的波形質量，提高了工作效率。

1基于階梯調制的階梯波合成

1.1階梯調制技術

階梯調制(SM)技術是采用多種電源模塊進行控制輸出的技術，是高電壓大功率電源系統的一種重要的調制技術，為階梯波合成開關功放的制作提供了重要的理論依據。

基于階梯調制技術[3]的高壓電源的結構及負載輸出如圖1所示。

圖1　階梯波合成原理

該電源由n個直流功率模塊級聯而成，其中每一個直流功率模塊輸出電壓均為US，由開關管K1、K2、……、Kn的斷開閉合決定直流功率模塊是否級聯到總電路中去，負載L兩端的輸出電壓UL=nUS，n為接入到總電路中的直流功率模塊的數目，D1、D2、……、Dn為續流二極管，為電路提供回路。如果K1、K2、K3閉合，則負載L上輸出電壓UL=3US。通過控制信號實現開關的有效打開和關閉，使輸出的階梯波形能較好地接近輸入正弦波。階梯波基于SM的開關電源，其電路結構簡單，輸出電壓可調，只需要控制開關管的通斷即可調節電壓的輸出范圍。而且每個功率模塊采用歸一化的電路結構，增加了系統的魯棒性和穩定性。即使其中有幾路發生故障不能正常工作，通過冗余設計仍可以迅速地用其他功率模塊替換。

1.2階梯波合成的基本思路

由于開關功率放大器輸出的波形，無論是方波還是階梯波，其頻率特性不變，即它們的基波都是原信號波形。實際上，信號的波形由于所攜帶的信息不同會千差萬別。為了更好地還原信號波形，利用脈沖階梯調制法可以得到頻率特性不變的階梯波。以正弦波為例，其設計思路為：

步驟1：將原正弦信號與不同的各級電平進行比較(以4級電平為例)，形成了4路占空比不同的方波信號，如圖2所示。

圖2　步驟1的波形示意圖

步驟2：經過反相器，輸出4路信號的上升沿為輸入信號的下降沿，從而形成了8路均由上升沿觸發的控制信號，如圖3所示。

圖3　步驟2的波形示意圖

步驟3：將上述的8路信號輸入積分型單穩態觸發器中，輸出脈沖的由上升沿觸發的控制信號，如圖4所示。

圖4　步驟3的波形示意圖

步驟4：利用同步JK觸發器的置0、置1功能，用8路信號的上升沿分別控制功率開關的開關，合成與原信號相似階梯波的控制信號，在疊加負載上即可得到五電平階梯波，如圖5所示。

圖5　步驟4的波形示意圖

原正弦信號可以經一次比較直接生成方波，原理簡單，但諧波含量大；原正弦信號經過4級比較，輸出信號直接疊加即可生成階梯波。但在實際應用中，考慮到功率開關的先開先斷原則，應再經變換得到占空比相同而各級電平不同步的4路控制信號，將這4路信號疊加，既可產生方波，又可使功率開關循環合理使用，提高了功放的使用壽命。

隨著比較級數的增多，階梯波的電平數也隨之增多。電平數越多，階梯波也就越接近正弦波。電工學意義是：電平數越多，其中的諧波含量越少，信號能量更集中于基波信號，信號失真度越小，信號質量越高。

2階梯波合成開關功放設計與仿真分析

2.1階梯波合成開關功率放大器的設計

階梯波合成[4]開關功率放大器簡圖如圖6，系統的輸入信號為單極性的正弦波信號，輸出為n電平階梯波信號(n取決于直流功率模塊的多少)。該系統分為4個模塊：直流電源模塊，它的電壓大小直接影響功率放大倍數；功率開關模塊，它的耐壓性能和靈敏度決定了直流電壓大小和波形質量；主控系統是整個系統的核心，階梯波合成的主要部分；負載濾波模塊，主要由濾波器組成，原理簡單，實現容易。

圖6　階梯波合成開關功率放大器結構總圖

控制系統實現的主要功能是根據階梯波合成的基本思路設計的。輸入的原始信號為正弦波，給正弦信號加偏路電壓，以便對信號實現單極性量化，方便各階梯電平與其對比，產生控制開關開斷的4路信號。符合先通先斷原則的4路控制信號分別控制功率開關的開斷，直流電源就可以以階梯波狀疊加到負載上，形成階梯波信號。其原理圖如圖7所示。

圖7　階梯波合成開關放大器控制系統原理圖

先開先斷主要由比較器、反相器、積分型單穩態觸發器和同步JK觸發器等各功能模塊來實現。經比較器產生的4路信號，均由上升沿控制開關的開，下降沿控制開關的關。為了滿足先開先斷原則，用一級信號上升沿打開的開關由四級信號的下降沿關閉，二級信號上升沿打開的開關由三級信號的下降沿關閉，其余依此類推。而反相器的作用是將信號分成8路，都由上升沿控制，便于8路信號分別控制開關的開斷；同步JK觸發器可將八路信號換成高低電平的4路信號來控制一個開關的開斷。積分型單穩態觸發器的作用是實現寬方波變成觸發脈沖的器件。

2.2基于Multsim的功放電路仿真分析

Multsim軟件是一款功能強大、貼近實際的電子電工仿真軟件，設計思路中的器件能夠在軟件中直接找到，比如直流電源、單刀雙擲的功率開關、負載等。主控系統中的各器件采用了分模塊測試、1路方波信號產生、4路信號合成階梯波的步驟，最終輸出4路高低電平控制，實現了繼電器即功率開關部分的先通先斷原則。

功率開關模塊實現了工作時加上9 V電壓、不工作時仍可導通的功能，加在負載兩端的是系統主要供電模塊。如果控制信號不變，增大功率開關管的性能同時增大直流電源電壓和電流，便可實現大功率放大。

仿真得到的波形如圖8，階梯波能夠很好地擬合原正弦信號，實際階梯波的幅度是正弦信號的7倍。這實現了功率放大，同時又保持了原信號的頻率特性相比于方波，其諧波含量大大減小，這樣既減小了失真率，又防止了諧波所造成的能量浪費。

圖8　五電平階梯波生成波形圖

利用頻譜分析儀對2種波形(基波均為相同正弦波的方波和階梯波)進行頻譜分析，結論為：階梯波的諧波分量明顯小于方波，即階梯波的能量更多地集中在基波中。

經光頻譜儀分析測量，得到如表1所示諧波能量比較。

表1　方波與階梯波的諧波能量比對

對應的能量所占百分比如圖2所示。

表2　方波與正弦波諧波能量所占百分比

其3次、5次、7次諧波所占用能量的百分比減小了36.75%、26.5%、11.25%。階梯波諧波總能量比方波減小74.5%,軟件仿真的結果充分證明階梯波可減少諧波能量損失。在采用大功率技術的同時，減小諧波分量，降低波形的失真度，提高波形質量，為低頻信號的超遠距離發展發揮更大的作用。

3實際電路的搭建與調試

3.1電路的輸入輸出及設計要求

(1) 輸入信號：幅值為5 V、頻率為100 Hz的正弦波。輸出信號：幅值為36 V、頻率為100 Hz的五電平階梯波。

(2) 輸入波形為低頻連續可調信號，輸出為五電平階梯波，并進行小型的功率放大。理想的功率開關管在現實中不存在，大功率開關器件如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關斷晶體管(GTO)等，理論上可以實現作為階梯波合成功放的功率開關，但需要復雜的驅動電路，實踐中較難實現。因此，選擇了易于實現的繼電器作為功率開關。取直流電源為9 V，則經四級疊加，會產生幅值為36 V的五電平階梯波。

3.2電路的基本構成及器件選擇

(1) 階梯波合成開關功率放大器由4個9 V直流電壓、4個繼電器、1個負載和主控系統模塊組成。輸入信號由信號發生器產生，輸出信號由示波器檢測和分析。

(2) 根據電路的需求和實際電路器件的功能，選擇的芯片與模塊搭配如下：

信號源：DDS信號發生器

比較器：OP37

反相器：40106

積分型單穩態觸發器：7400，7404，100 Ω色環電阻，10 μF電容

同步JK觸發器：7400，7410

功率開關管：TQ2(最大工作電壓-5 V)繼電器

直流電源：9 V干電池

負載：1 kΩ色環電阻

3.3電路搭建及波形輸出

實驗中，進行1路信號的模塊搭建，利用焊錫將各模塊連通，測試了2路信號合成1路的波形圖，此方波信號正是控制繼電器開斷的控制信號。將4路控制信號接入功率開關后，通過控制開關使電源模塊循環加到負載的兩端，即可得到五電平階梯波。將輸入信號調為幅值為5 V、頻率為100 Hz的正弦波，在信號輸出端，通過調節示波器上掃描頻率、幅度等參數，示波器將呈現輸出波形。電路的實際構造和示波器上的波形顯示如圖9所示。

圖9　五電平階梯波合成圖

從圖9可看出五電平階梯波的效果基本實現，但因使用的電子器件較多、繼電器工作的不穩定，波形不夠理想，要真正實現功率放大器功能還需進一步濾波，檢查各器件的工作效能，選擇更好的器件。

3.4搭建的注意事項

首先，將電源按要求調至特定電壓，確認板子與各部分連接無誤后再將電源連至電板，以防連接造成電板燒毀或其他不安全事件的發生。

其次，若電路出現故障，檢查是否按要求將信號源連接至信號輸入端，將示波器連接至信號輸出端。檢查無誤后，用示波器或者萬用表在各個檢測點處分別測出此時該點的狀態，判斷是由于電壓過大燒壞片子，還是接觸不良導致電路不同電壓為零，也可能是接線頭接觸造成短接或者干擾。

最后，四電路模塊的搭建接線復雜，電源和接地頭眾多，要實現其工作性能需4路信號同時按模塊依次進行連通，等輸出波形效果理想后，再用導線連接下一模塊，直到電路全通。階梯波不理想，是由于功率開關的工作特性所引起的，因此選擇正確良好的功率開關依然是目前最需要解決的問題。

4結束語

高效率、低失真是對開關功率放大器的要求。設計的階梯波合成開關功率放大器實現了輸入信號低頻連續可調，輸出信號功率放大且諧波分量小，為實際應用提供了一種新的方法。利用Multsim軟件進行仿真，得到了五電平階梯波，并分析了它的頻譜特性，定量地得到了階梯波可減少諧波所占能量74.5%。按芯片選擇、模塊檢測、電路搭建順序完成了設計，最后在示波器上出現了五電平階梯波。實驗中生成的階梯波并不是最優化的，這取決于設置不同的比較電平，經頻譜分析觀察，諧波含量最小的為最優階梯波形。要實現大功率功放，可以選擇IGBT或GTO，在以后的研究中將重點研究大功率開關電路的階梯波合成。可將大功率電路放大信號經功率合成器進行多級耦合放大，以實現更大功率的放大。

參考文獻

[1]劉冬蒨.新型D類音頻功率放大器設計[D].北京：北京交通大學，2009.

[2]杜少武，楊鈺輝.基于PSM技術的高壓開關電源研究[J].電工電能新技術,2006,25(3):43-46.

[3]曾盛，馮垛生.高次諧波及其抑制措施[J].現代電子技術,2002,24(90):42-44.

[4]鐘順洪.開關功率放大器的一種新型控制方法[D].重慶:重慶大學,2005.

Study and Realization of Stepwave Synthesis Switching Power Amplifier

LI Teng1,XU Chi1,WANG Yong-bin2,WANG Ling1

(1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China;2.Naval University of Engineer,Wuhan 430000,China)

Abstract:Aiming at type D switching power amplifier harmonic radiation has high power and jams other telecommunication systems,this paper puts forward the ideal of switching power amplification based on step wave synthesis,uses step wave modulation technology to construct step wave synthetic;designs a step wave synthesis switching power amplifier system combining with Multism software simulation to analyze the spectrum of system output signal.Through the circuit debugging,the five-level step wave outputs,which verifies the feasibility of the program.

Key words:step wave;switching power amplifier;harmonic analysis

收稿日期:2016-02-02

中圖分類號：TN722.75

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0086-05

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.022