基于FPGA的PSM功率放大器的研究

摘 要：文章介紹了在PSM寬帶數字功放系統中，應用FPGA實現PSM算法。通過控制各個PSM模塊的開關通斷，實現對輸入波形數據的功率放大。文章從PSM功放電路拓撲及PSM算法展開研究，在已有的工作基礎上對PSM算法進行改進。Modelsim仿真結果驗證了文章提出的方案的正確性。

關鍵詞：FPGA；功率放大器；脈沖階梯調制

引言

傳統的數字功率放大器，都是基于PWM調制技術，在大功率功放輸出時，功放電路中的儲能電容比較大，開關瞬間MOS管內部電流較大，易造成MOS管的損毀，雖然實際電路中會引用過流、過壓保護，但不可避免地會使功放電路停止工作[1]。

基于PSM技術的數字功放系統具有電路拓撲簡單，容易獲得高電壓大功率的特點[2]。PSM系統核心電路由多個開關電源模塊級聯構成，開關電源模塊由開關電源、開關功率管和續流二極管組成。系統中的每一個模塊功率管和續流二極管都只承受本電源模塊的電壓值，并不會承受更多的電壓，所以與最終級聯輸出的電壓無關，從而保證了整個系統的安全性，不需要高頻升壓器件的參與。

因此，研究寬帶大功率數字功放顯得尤為重要。文章提出了PSM功放主電路結構，基于FPGA對PSM算法進行實現，并通過仿真驗證了正確性。

1 主電路結構及改進算法

PSM功放主電路如圖1所示。主電路一共包含8路直流功率模塊。各個模塊主要由直流電壓源、MOS管以及續流二極管組成，且各路直流電源需要相互隔離不共地。PSM功率放大器采用疊加各個功率模塊的輸出方式實現對信號的放大，疊加后的信號為正向，因此需要經過全橋逆變對正向信號進行時域上的翻轉，實現功率放大信號的正負輸出。

PSM脈沖階梯調制是把SM階梯調制和PWM脈沖寬度調制相結合起來的一種調制技術。其最早由瑞士的W.Schminke提出[3][4]。其工作原理為：根據算法要求將輸入電壓U與每個直流功率模塊的電壓Us作除法，得到此時需要疊加的功率模塊數量N.d。其中，N為整數，代表需要開啟的工作在SM模式的功率模塊個數。d為小數，為SM調制波形與原波形的誤差，需要一個功率模塊工作在PWM調制方式。PSM的輸出波形即為在SM調制輸出波形基礎上疊加PWM輸出波形[5]。

由于各個直流功率模塊的開斷時間并不相同，各個模塊之間工作時間相差很大，長時間工作的模塊會出現發熱嚴重的現象，所以，需要在PSM算法中加入功率模塊的狀態循環功能。其示意圖如圖2。

為了減小輸出波形的THD，減小功放EMI，提高其輸出質量，文章對PSM算法作進一步改進。PSM算法的精髓就是用SM來粗略構筑波形大部分面積，邊緣細節則是使用PWM來填補，通常PWM的工作頻率要比SM高出很多，會對周圍產生很大的電磁影響。從而又將現有算法中的PWM控制信號進行進一步的細分，分解為2路SM和1路PWM。將48V的PWM分解為兩路16V的SM和一路16V的PWM。例如當前PWM占空比為0.6，則通過計算0.6*3=1+0.8，則原來占空比為0.6的信號分解為0.8×48V=1×16V+0×16V+0.8×16V。

2 仿真驗證

根據上文所述的算法原理，用Modelsim對Verilog HDL程序進行仿真驗證，仿真時，采用正弦波為輸入波形。同時用MATLAB對改進算法進行仿真驗證。圖3所示結果驗證了本設計的可行性。

THD測試中，改進前與改進后輸出波形THD仿真結果如表1、表2：

參考文獻

[1]王武斌.開關功率放大器的數字控制技術研究[D].浙江大學，2006.

[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）：18-20.

[3]Alex J， Schminke W. A high voltage power supply for negative ion NBI based on PSM technology[C]// Fusion Engineering， 1997. 17th IEEE/NPSS Symposium. IEEE，1997，2：1063-1066.

[4]Alex J， Schminke W. Fast switching， modular high-voltage DC/AC-power supplies for RF-amplifiers and other applications[C]//Fusion Engineering， 1995. SOFE'95. Seeking a New Energy Era.， 16th IEEE/NPSS Symposium. IEEE，1995，2：936-939.

[5]Wang Y，Wang Y， Mao X， et al. Design and application of measurement system for the HVPS based on PSM technique on HL-2A[C]//Power Electronics and Motion Control Conference （IPEMC）， 2012 7th International. IEEE，2012，4：2947-2951.