跟踪电源供电的高效率B类功率放大器

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摘要:该文研究了一种跟踪电源供电的改进B类线性功率放大器。与传统直流供电的B类功率放大器不同,改进的功率放大器采用跟踪电源供电,使得功率放大器输出对管的管压降大大降低,从而效率得到很大程度的提高。理论分析了改进功率放大器的工作原理,实验结果验证了思路的可行性。

关键词:B类放大器;高效率;跟踪电源;电源纹波抑制比

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号: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)

功率放大器广泛应用于各种工业应用领域,如Hi-Fi音频产品、测试装置、电力系统谐波的发生及非电现象的模拟等领域中。目前,在一些对波形要求严格的场合仍然采用传统的线性功率放大器,这是因为线性功率放大器具有失真度低、动态响应特性快和频带宽等开关功率放大器无可比拟的优点,但严重的功耗问题使得系统体积庞大,难以整体优化设计。

本文研究了一种跟踪电源供电的改进型线性功率放大器[1-2],该方案基于传统B类线性功率放大器结构,提出对B类放大器采用动态跟踪电源供电,使得功率放大器互补输出对管的工作管压降和损耗大大降低,从而效率得到很大程度的改善。图1(a)为跟踪电源供电的改进型B类功率放大器电路拓扑,其中线性功率单元源于射(源)极输出器型线性电路拓扑,跟踪供电电源采用两个正、负电源工作的降压型开关变换器结构,与电压增益级受控于同一个参考信号。跟踪供电电源的输出电压uS与系统期望输出同形、同频、同相位且幅值略高于系统输出,作为线性功率单元的动态跟踪电源,替代传统的直流供电,并借助线性功率单元良好的跟随特性,使得改进型B类功率放大器能兼顾高效率与高正弦度输出的综合优良特性。图1(b)为工作波形示意图。uS+与uS-分别为正、负半周输出跟踪电源,输出电压允许存在一定的输出电压纹波,并不会对输出电压uO造成影响。

1 损耗计算与效率优化

与传统恒定直流供电的B类线性功率放大器最大的不同在于,改进B类功率放大器的末级线性功率输出单元采用动态跟踪电源供电,以减小输出功率管的压降, 从而降低功率损耗提高系统效率。假设输出电压

(1)

则输出功率为

(2)

对于传统恒定直流供电B类放大器,末级功率管的功率损耗为

(3)

而动态跟踪电源供电时末级功率管的功率损耗则为

(4)

其中 UD 为功率管的导通压降,理想情况下为恒定值。

若 PSLH 定义Pclass-B与的β比值如下

(5)

一般情况下,US/Um的值稍大于1,因此β

为了计算改进B类功率放大器的整体效率,其开关电源部分必须加以考虑,那么系统总损耗为

(6)

其中Pswitching和Plinear分别为开关电源与线性功率单元的损耗,Cs、Vds、fs、Vos和D分别为开关电源的吸收电容、输入电压、开关频率、稳态输出平均电压及占空比。

令dPTOT/dfs=0,则可以得到损耗最小情况下的最佳开关频率

(7)

2 电源纹波抑制比(PSRR)

电源纹波抑制比(PSRR)是衡量一个电路在各个频率段对输入电压纹波的抑制作用,尤其对线性电路而言是一项重要的技术指标。这里将通过建立改进B类功率放大器末级线性功率单元的等效电路模型来研究其电源纹波抑制比PSRR如何影响功率放大输出质量。图3为改进B类功率放大器末级线性功率单元的等效电路,根据KVL与KCL定律可以推导出PSRR的传递函数为

(8)

根据不同的门极接入电阻可以得到PSRR曲线如图4所示。

该图表明:1) PSRR在低频段的变化斜率为-20dB/dec,在转折频率1/(2πCgd (RG+ZOS))以上,改进B类功率放大器线性输出级对开关电源输出电压谐波将无衰减作用;2)随着RG的增大,改进B类功率放大器输出级对供电电源的谐波抑制能力降低。表1列出了 PSRR在RG分别为100Ω、200Ω和500Ω时对于开关频率及其边带谐波成分的衰减值。由表可知,应在满足开关功率级输出滤波器设计要求的条件下尽可能减小RG的值。

表1PSRR在不同情况下的纹波衰减值

3 实验结果

基于理论分析与计算,研制了一台100VA容量的改进B类功率放大器实验样机,实验主要参数如下:直流母线电压E=110V,开关频率fs=100kHz,负载为功率绕线电阻箱,其直流电阻为100Ω。图5为2kHz正弦输出实验波形,从图中可以看出,跟踪电源输出电压uS+与uS-均对输出电压起到了良好的跟踪效果,尽管跟踪电源输出电压存在一些纹波,但并未对输出电压造成影响,这从一定程度上保证了B类放大器的输出波形质量。图6为效率曲线,可以看出,采用跟踪电源供电的B类功率放大器的效率可以达到80%左右,而传统恒定直流供电的B类放大器理论最大效率为75%。

4 结论

本文探讨了一种采用跟踪电源供电的高效率B类功率放大技术,其核心思想在于:采用PWM开关滤波电路作为末级线性功率单元的动态跟踪电源,控制线性功率放大单元工作于低压差线性区,提高了系统整体效率,使整体系统近似等效为一个比例功率放大器。改进B类功率放大器继承了B类线性功率放大器的优良特性,可以实现高效率与优良波形输出兼顾。改进B类功率放大器避免了采用复杂的控制策略和电路拓扑,实现简单,节约成本,为中高功率场合音频范围功率放大技术的研究提供了一个新的参考思路。

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