一种双极性软开关PWM功率放大器

摘要

本发明公开了一种双极性软开关PWM功率放大器，包括用于提供能量的功率电源以及比较单元、脉冲宽度调制信号输出单元、全桥变换开关组、第一变压器、脉冲极性切换单元、极性切换开关组。本发明的功率放大器的输出电压能够在正电压和负电压之间变换，即其输出具有双极性，能够很好地满足音频功率放大的应用领域；此外，本发明的电路结构能够应用上开关电源中的软开关技术，其工作时开关管能够实现零电压切换，其开关损耗能够有效地降低，因而可以提高PWM功率放大器的开关频率，从而提供放大器的信噪比，还可以减小公知的放大器中所需的输出低通滤波器的体积。

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，特别是一种双极性软开关PWM功率放大器。

背景技术

据目前已知的PWM音频功率放大装置，如D类功率放大器，其中的功率开关大多工作于硬开关模式，即功率开关关断或开通的过程中，开关所承受的电压与电流均不为零，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即开关损耗。开关频率越高，则开关损耗就越大，同时硬开关过程还会产生高频电磁干扰。因此，硬开关性PWM音频功率放大装置的开关频率不能太高.

在开关电源设计当中广泛使用软开关技术来解决功率开关管开关损耗的问题，然而，据目前已知的开关电源装置，其输出的极性是固定的，因此，开关电源中所用的软开关技术不能直接应用于音频功率放大装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种适合音频功率放大的双极性软开关PWM功率放大器，结合开关电源中的软开关技术，解决现有技术的功率管开关损耗较大的而使效率降低、开关频率受限的问题。

本发明为解决其问题所采用的技术方案是：

一种双极性软开关PWM功率放大器，包括用于提供能量的功率电源以及：

比较单元，包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述比较单元对第一输入端和第二输入端的输入信号进行处理后从第一输出端和第二输出端输出第一信号和第二信号；

脉冲宽度调制信号输出单元，根据所述比较单元第一输出端输出的第一信号输出大功率脉冲信号；

变换开关组，包括开关管，所述开关管根据脉冲宽度调制输出单元输出的大功率脉冲信号实现开通和关闭；

第一变压器，原边与变换开关组连接，经过变换和隔离后向负载提供能量；

脉冲极性切换单元，接收所述比较单元第二输出端输出的第二信号以及脉冲宽度调制信号输出单元输出的大功率脉冲信号，根据第二信号输出与大功率脉冲信号同相或者反相的切换脉冲信号；

极性切换开关组，连接于变压器的副边和负载之间，根据脉冲极性切换单元输出的切换脉冲信号进行开关切换。

优选的是，本发明还包括能量吸收单元，用于当极性切换开关组关闭时吸收负载的能量。

优选的是，本发明还包括能量回馈单元，所述能量回馈单元连接于能量吸收单元以及功率电源之间，用于将能量吸收单元吸收的能量回馈到功率电源中。

优选的是，所述比较单元的前端设有误差积分放大器，所述误差积分放大器对来自控制装置的给定信号以及来自负载的反馈信号进行处理，所述比较单元的第一输入端接收误差积分放大器的输出信号，第二输入端接地。

本发明的有益效果是：本发明的比较单元根据两输入信号对脉冲极性切换单元输出的切换脉冲信号进行控制，极性切换开关组根据切换脉冲信号进行开关切换，使得本发明的功率放大器的输出电压能够在正电压和负电压之间变换，即使得其输出具有双极性，因此能够很好地满足音频功率放大的应用领域；本发明的电路结构能够应用上开关电源中的软开关技术，其工作时开关管能够实现零电压切换，其开关损耗能够有效地降低，因而可以提高PWM功率放大器的开关频率，从而提供放大器的信噪比，还可以减小公知的放大器中所需的输出低通滤波器的体积。

此外，当本发明进一步包括能量吸收单元时，极性切换开关组关闭的时候负载中剩余的能量能够被吸收，当进一步包括能量回馈单元时，此部分吸收能量能够回馈到功率电源中，使得整个放大器的效率得到提高；比较单元前端的误差积分放大器能够对来自控制装置的给定信号以及来自负载的反馈信号首先进行处理，误差积分放大器的输出为对两信号之间的差值进行积分放大之后的信号，与比较单元直接处理两输入信号相比，这种方法更稳定、更方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的电路方框示意图；

图2为本发明优选实施例的电路原理图。

具体实施方式

参照图1，本发明的一种双极性软开关PWM功率放大器，包括用于提供能量的功率电源9以及：比较单元1，包括第一输入端11、第二输入端12、第一输出端13和第二输出端14，所述比较单元1对第一输入端11和第二输入端12的输入信号进行处理后从第一输出端13和第二输出端14输出第一信号和第二信号；脉冲宽度调制信号输出单元2，根据所述比较单元第一输出端13输出的第一信号输出大功率脉冲信号；变换开关组3，包括开关管，所述开关管根据脉冲宽度调制输出单元输出的大功率脉冲信号实现开通和关闭；第一变压器5，原边与变换开关组3连接，经过变换和隔离后向负载提供能量；脉冲极性切换单元4，接收所述比较单元第二输出端14输出的第二信号以及脉冲宽度调制信号输出单元2输出的大功率脉冲信号，根据第二信号输出与大功率脉冲信号同相或者反相的切换脉冲信号；极性切换开关组6，连接于变压器的副边和负载之间，根据脉冲极性切换单元4输出的切换脉冲信号进行开关切换。

参照图2本发明优选实施例的电路图，音频输出装置K15通过由电容C16、电感L17组成的低通滤波器与功率放大器的输出连接。其中全桥变换开关组3包括开关管Q1、Q2、Q3、Q4，极性切换开关组6包括开关管Q6、Q8、Q10、Q12，开关管Q6、Q8、Q10、Q12的两端并接有二极管D7、D9、D11、D13，二极管D7、D9、D11、D13的方向按照电路功能设置。

除了上述的结构，本发明还可以包括能量吸收单元7，用于当极性切换开关组6关闭时吸收负载的能量。进一步，本发明还可以包括能量回馈单元8，能量回馈单元8连接于能量吸收单元7以及功率电源9之间，用于将能量吸收单元7吸收的能量回馈到功率电源9中。上述设置能够使得功率放大器的整体效率得到提高。如图2所示，能量吸收单元7包括一电容器C28，能量回馈单元8包括一开关管Q35、第二变压器T35、二极管D34，开关管Q35、第二变压器T35和二极管34组成一反激式开关电源，电容器C28作为次开关电源的直流输入端，当极性切换开关组6关闭的时候负载中剩余的能量能够被吸收，此部分被吸收的能量通过开关管Q35和第二变压器T35组成的变换电路回馈至功率电源9中。其中，优选的是，第一输出端13输出的第一信号为第一输入端11和第二输入端12的输入信号的差值的绝对值。

一般地，比较单元第一输入端11接收来自控制装置的给定信号，第二输入端12接收来自负载的反馈信号，功率放大器根据此给定信号和反馈信号的大小对后端进行控制。为了便于处理，作为优选的实施方式，比较单元1的前端设有误差积分放大器，误差积分放大器对来自控制装置的给定信号以及来自负载的反馈信号先进行处理，比较单元1的第一输入端11接收误差积分放大器的输出信号，第二输入端12接地。此时比较单元1的第一输入端11接收到的为对给定信号和反馈信号的差值进行积分放大之后的信号，由于比较单元1的第二输入端接地，因此其第一输出端13输出的是第一输入端11接收到的信号的绝对值，第二输出端14输出的是第一输入端11接收到的信号的正负极性信号。这种优选的实施方式的处理更加简单，过程更加稳定可靠。

图2中电路的工作原理如下：

当比较单元第一输出端13输出的差值的绝对值大于脉冲宽度调制信号输出单元2中预设的阈值时，脉冲宽度调制信号输出单元2输出与差值的绝对值成正比的大功率脉冲信号，否则输出预设最小宽度的大功率脉冲信号，根据此设置能够控制功率放大器的输出电压大小。

当比较单元1的第一输入端11的输入信号电压高于第二输入端12的输入信号电压时，第二输出端14输出低电平，脉冲极性切换单元4输出与大功率脉冲信号同相的切换脉冲信号，极性切换开关组中的开关管Q6、Q8、Q 10、Q12根据此切换脉冲信号开通和关断，使输出到负载两端的电压为A正B负，即该双极性软开关PWM功率放大器输出正电压；当比较单元的第一输入端11的输入信号电压低于第二输入端12的输入信号电压时，第二输出端14输出高电平，脉冲极性切换单元4输出与大功率脉冲信号反相的切换脉冲信号，极性切换开关组中的开关管Q6、Q8、Q10、Q12根据此切换脉冲信号开通和关断，使输出到负载两端的电压为A负B正，即该双极性软开关PWM功率放大器输出负电压。双极性软开关PWM功率放大器的输出端电压与比较单元1两输入端的电压差保持相同极性。

当变换开关组3中的开关管Q1关闭后，依靠电感L17的储能作用，通过变压器T5耦合，使C点电位下降到零，开关管Q3可以零电压开通；同时变压器T5的次级绕组输出电压为零，使极性切换开关组6中的开关管Q6、Q8、Q10、Q12可以零电压切换；经过需要的延时后，开关管Q4关断，依靠变压器T5的初级绕组漏感储能使D点电位上升到与功率电源大小相同的电压，使开关管Q2可以零电压开通，进入下一个工作周期并以此循环。

综上所述，本发明能够实现功率放大器输出端电压极性的正负极性切换，使得本发明能够适用于音频功率放大方面的应用；此外，本发明还实现了功率放大器中开关管的软开关过程，降低了开关管的开关损耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。