D类功率放大器.doc

D类功率放大器
摘要：该设计是以FPGA为核心，将输入的正弦信号通过前级放大，由A/D采样转换为数字信号输入FPGA内，再由FPGA通过采样处理、采样输出脉冲实现数字脉宽的调制，输出的PWM波驱动全桥中的大功率MOS场效应管实现功率放大，最后经低通滤波器，重新获得正弦波信号。系统设计是基于FPGA的PWM的D类功率放大，实现全数字控制，效率高，输出功率大，噪声性能好。

关键字：D类功放 脉冲宽度调制 FPGA LPF

Low Frequency Power Amplifier
Abstract: The design is based on FPGA as core, input sinusoidal signal level before zoom, converted by A/D sampling digital signal input in FPGA, then processed by FPGA through sampling, sampling the output pulse of digital pulse-width modulation, PWM waves output driving high power MOS FET full bridge power amplifier, last through low-pass filter, regain a sine wave signal. System design is based on PWM for class d power amplification of FPGA, realization of digital control, high efficiency, power output, good noise performance.

Keywords: Low Frequency Power Amplifier D class power amplifier
Pulse Width Modulation FPGA LPF

目录
摘要 1
目录 1
一、引言 3
二、系统方案 3
2.1总体方案论证与比较 3
2.2模块方案论证与比较 3
2.2.1 SPWM调制方案论证与比较 3
2.2.2模数转换方案论证与比较 3
2.2.3滤波器方案论证与比较 4
2.2.4功率放大电路方案论证与比较 5
三、理论分析与设计 5
3.1关于滤波器电感、电容的选择 6
3.2关于A/D芯片及其驱动的选择 6
3.3全桥电路中MOSFET的选择 6
3.4全桥驱动芯片的选择 6
四、电路与程序设计 6
4.1电路设计 6
4.2程序设计 7
五、测试方案与测试总结 7
测量仪器 7
5.1输出功率的测量 7
5.2通频带的测量 7
5.3输入阻抗的测量 7
5.4噪声电压的测量 8
5.5失真度的测量 8
测试结果分析 8
六、设计总结 8
七、附录 9
7.1 AD采样电路 9
7.2光耦隔离电路 10
7.3全桥驱动电路 10
7.4低通滤波器 11
7.5全桥电路 11
7.6程序设计框图 11
7.7部分程序 12

一、引言
传统的A类、B类或AB类低频功放属于模拟功放，直接对模拟信号进行放大，而放大器必须工作在线性放大区，实际转换效率不高，造成极大的能源浪费，同时为了散热又必须加散热片，既占空间又提高成本。基于FPGA的PWM的D类低频功放与之相比，实现全数字在开关状态下工作，效率很高，大大减少了功率损耗，在当今电子行业所追求的体积小、功率低、效率高的趋势下具有广阔的应用前景。
二、系统方案
2.1 总体方案论证与比较
方案一：采用AB类功放。为了避免B类推挽式放大器的交越失真，在两个管之间分别加偏置电压，使其工作在AB类状态下。原理图见图2-11.
图2-11
方案二：采用传统的D类功放。D类放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100%，实际电路也能可达到80%～90%
方案三：采用基于FPGA的PWM的D类功放。同样是采用D类功放，但是考虑到载波的频率应约为200k～500K，普通的模拟电路是无法产生高频率且稳定的锯齿波，然而在FPGA内还可以实现脉宽调制，以及死区控制，全数字脉宽调制。其框图见图2-12。
图2-12
经综合考虑，AB类功放效率实际不高，传统D类锯齿波发生器产生频率不高且不稳，会造成后级脉宽的变化不能真实反映信号的信息，引起输出失真，方案三控制更为方便准确，因此选用方案三。
2.2 模块方案论证与比较
2.2.1SPWM调制方案论证与比较
方案一：采用经典的PWM产生方法，载波（锯齿波）与输入正弦信号通过比较器，转换比较器的珊瑚局即为所需的脉宽信号，当载波波幅大于输入波幅时比较器输出为高电平信号，反正输出为低电平信号，这样即得到SPWM波。产生电路图见2-21。

图2-21
方案二：采用FPGA内部脉宽调制。
综合考虑，方案一的前提是需要一个频率幅度稳定的锯齿波发生器，一个高速的比较器，这些都不容易达到，方案二采用FPGA，不仅可以产生高频的锯齿波，而且可以在内部调制，并控制死区时间，大大减少了外部电路的复杂程度，提高了系统的稳定性。
2.2.2模数转换方案论证与比较
方案一：采用单端输入的模数转换方法，其主要应用于输入信号电压较高，信号源到输入硬件的导线较短，它的优点是电路设计简单方便，易于操作控制。
方案二：采用差分输入模式的模数转换方法，当输入信号受干扰时，差分的两线会同时受影响，但电压差变化不大。其主要优点是抗干扰能力强，能够有效抑制EMI，时序定位精确。其应用电路见图2-22。

图2-22
2.2.3滤波器方案论证与比较
方案一：采用平衡四阶LC低通滤波器。见图2-31。

图2-31
方案二：采用平衡二阶LC低通滤波器。见图2-32。

图2-32
综合考虑，四阶滤波器滤波效果更好，基波衰减更大，还原信号波形更细腻，干扰更少，且在功率消耗上四阶同二阶无较大差别，因此选用平衡四阶滤波器。
2.2.4功率放大电路方案论证与比较
方案一：采用半桥功率放大电路。由两个三极管或MOS管组成的振荡。
方案二：采用全桥功率放大电路。由四个三极管或MOS管组成的振荡。原理图见图2-4。
图2-4
经综合考虑，在电源、负载相同的情况下，全桥的额定输出功率是半桥额定输出功率的4倍，全桥相对于半桥抗干扰能力更高，失真更小，因此选用方案二。
三、理论分析与设计
3.1 关于滤波器电容，电感的选择
正确地选择元器件类型尅降低损耗减小失真，其中电感的额定直流电流应等于或小于所需的最大电流，并且在电流变化时电感量得变化应小于10%，磁芯材料也将会影响功放的谐波失真，应选择低损耗的磁芯，因此采用铁硅铝磁环。滤波电容应选用聚酯、聚丙烯或聚碳酸酯电容。
对于待设计的LPF滤波器而言，其计算公式为：
；
；
巴特沃斯滤波器的传递函数：，四阶滤波器中参数如下，L1=L3=16uH，L2=L4=12uH，C1=0.69uF，C2=0.11uF，频率特性曲线见图3-1。

图3-1 50KHz截止频率下得频率特性曲线
3.2 关于A/D芯片及其驱动的选择
为了减少外界共模噪声的影响，适应低幅度信号的电路，所以选择采用具有差分输入的模数转换器-ADS821，在拥有不错的抗干扰能力的同时，其时序定位精确，能够有效抑制EMI。为了提供AD的差分输入，就需要首先把单端变成差分，因而选用了运放AD8138，其高带宽、低失真性和差分输出有助于平衡输入差分ADC，是ADC的性能发挥到最大化。
3.3 全桥电路中MOSFET的选择
在功放中要达到高性能的关键因素是功率桥电路中的开关。在开关过程中产生的功率损耗、死区时间和电压、电流瞬时毛刺等应该尽可能的最小化来改善功放的性能。由于MOSFET开关速度很快，对于这种功放它是最好的选择。它是一个多数载流子器件，相对于IGBT和BJT它的开关时间比较快。其中NMOSFET的导通内阻远小于PMOSFET，可以大幅度减少管耗，所以我们选择四个 NMOSFET。在同类NMOS管中，IRFI4024H速度快，并且是NMOS对，但实际使用发现其不易控制； IRF540N，其导通内阻小，反应速度也可以，易于控制，故最终选用它。
3.4 全桥驱动芯片的选择
功率MOSFET用作高压侧开关，被驱动饱和导通时，其对栅极驱动具有一定的要求，可概括为：栅极电压应高于漏极电压10～15V；栅极驱动电压应该是随源极电位而对地浮动的；栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。为解决功率管高端驱动问题，选用了双通道高压、高速MOSFET栅极驱动芯片IR2110。
四、电路与程序设计
4.1 电路设计
电路设计各模块功能及电路图设计详见附录7.1-7.5。
4.2程序设计
程序设计框图详见附录7.6，部分程序详见附录7.7。
五、测试方案与测试结果
测试仪器：函数信号发生器（SP1641B型）、直流电压源（MPS-3005L-3）、台式万用表（CDM-8045A）、手持式万用表（VC 9806+）、双通道示波器（TDS 1002B），毫伏表。
5.1 输出功率的测量
测量方法：用函数信号发生器提供电压有效值为5mV的正弦输入信号，调整其频率在10Hz～50kHz之间变化，用示波器测量8Ω电阻负载上的电压信号，可以看到输出波形无明显失真。记录几个随机频率点处负载两端的电压有效值，利用公式即可求出输出功率。测量结果如表1所示。
表1 输出功率的测量结果
输入频率/(Hz)
10
1K
5K
10K
30K
40K
50K
U有效
8.95
8.94
8.91
8.90
8.88
8.70
8.68
PO
10.01
9.99
9.92
9.90
9.85
9.46
9.42
5.2 通频带的测量
测量方法：方法同上，需要分别测量20Hz和50KHz附近处的电压有效值，如果这两点处的电压幅值大于，而小于20Hz和大于50KHz的频率点的电压值小于。测量结果如表2所示。
表2 通频带的测量结果
U有效/V
8.95
8.95
8.94
8.88
8.68
7.58
6.4
输入频率/(Hz)
0.493
100
1K
20K
50K
52K
55.5K
5.3 输入阻抗的测量
测量方法：不接负载，断开电源，在功率放大电路输入端之前串接一个600欧的电阻R，在此外接电阻之前输入电压有效值为5mV正弦信号，用示波器测量外接电阻端的信号电压有效值和原输入端的信号电压有效值。
测量结果：测得5mV，2.5mV，根据可求得600Ω
5.4输出噪声电压的测量
测试方法：将输入端接地，用交流毫伏表测量负载上的电压有效值。
输出噪声电压≈
5.5失真度的测量
测量方法：测量8Ω电阻负载上的电压信号，用基波剔除法，即测量信号中的基波和各次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。
失真度≈2%

测试结果分析
经测试，全桥放大输出功率可达到6W以上，通频带达到53K左右，整机效率达到90%左右，基本达到基本要求和发挥部分的功能与指标。其中输出噪声电压略高，电源及各模块间信号干扰未处理好；失真度略高于1%，谐波分量仍有存在，可能是低通滤波器的电感电容未很好匹配所造成。
六、设计总结
设计采用基于FPGA的单极性SPWM的D类功放，小信号经前级放大送入ADC，由FPGA控制采样、处理后输出SPWM波，通过MOSFET驱动器后由全桥放大输出，最后由LC低通滤波器还原出信号。系统基本完成了基本要求和发挥部分的功能与指标，输出功率可以达到5W以上，且整机效率极高，但失真度约为2%，输出噪声电压略高。为减少谐波，可以提高滤波器的电感电容匹配度；为降低输出噪声电压，可通过改善电源，及各模块之间的数字模拟地处理。

七、附录
7.1 A/D采样电路，实现模数转换。见图7-11及7-12。

图7-11

图7-12
7.2 光耦隔离电路，实现电器隔离，保护FPGA。见图7-2。

图7-2
7.3 全桥驱动电路，提高SPWM驱动能力。见图7-3。

图7-3
7.4 低通滤波器，实现信号还原。见图7-4。

7.5 全桥电路，实现功率放大。见图7-5。

图7-5
7.6 程序设计框图
7.7 部分程序
11