基于sigma-delta调制的D类功放电源的研究

摘要

音频功率放大器是MP3、MP4、手机、媒体播放器、家庭影音等消费类电子产品的核心部件，而D类功放以其体积小、低损耗、高效率的优点逐渐取代了传统的线性功放。但是D类功放工作在开关模式，高频开关噪声引起谐波失真和电磁干扰，且LC滤波器增加系统体积。而sigma-delta调制利用过采样技术和噪声整形技术可以将高频噪声扩展到更高的频带内，降低低频噪声，减小LC滤波器体积。传统的D类功放主要是两电平拓扑，而三电平拓扑具有更小的dv/dt，开关损耗小，谐波含量低，尤其是T型三电平。另外，模拟电路实现的D类功放存在温漂、零漂、器件老化和可靠性低的问题，而数字电路中则不存在此问题，且数字存储技术的飞速发展使得数字D类功放成为新的热点。 本文首先分析了sigma-delta调制原理和sigma-delta调制器基本结构。为改善开关管压降不平衡和死区时间引起的桥臂误差，引入了基于桥臂中点反馈的sigma-delta调制。基于二阶sigma-delta调制，采用单相半桥电路设计了D类功放电源的模拟电路，实验结果表明D类功放具有良好的宽频带信号放大功能。 其次，分别研究了基于一阶sigma-delta调制器的两电平和三电平D类功放电源的数字实现方式。为解决两电平电路中的谐波，大dv/dt问题，引入了T型三电平拓扑。分析了T型三电平工作原理和三电平sigma-delta调制。通过引入的阈值参数实现三电平sigma-delta调制，研究了阈值的影响并确立了合理的阈值参数，分析了死区对系统性能的影响并建立了基于桥臂中点反馈sigma-delta调制的三电平D类功放系统。通过Matlab/Simulink仿真研究了两种调制方式以及两种拓扑结构的性能差异。 最后设计搭建了一台实验样机，利用FPGA进行了两电平和三电平拓扑的数字D类功放电源实验，结果表明：桥臂中点反馈调制性能优于内环调制，三电平拓扑结构性能优于两电平。

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