功率电子设计(竞赛讲座D-数字功放)

2019/8/4只因准备不足，才导致失败12011年大学生电子竞赛培训功率电子电路设计主讲：蒋守光电子实验中心2019/8/4只因准备不足，才导致失败2第九部份数字功放设计专题2011年大学生电子竞赛培训2019/8/4只因准备不足，才导致失败3一、数字功放原理2011年全国大学生电子竞赛培训2019/8/4只因准备不足，才导致失败41、简介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，功率输出管工作在高频开关状态。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%，实际电路也可达到80%～95%。高效D类功放实现电路主要由PWM调制器、高速开关电路组成。2011年全国大学生电子竞赛培训2019/8/4只因准备不足，才导致失败52、原理框图（1）2019/8/4只因准备不足，才导致失败6原理框图（2）2019/8/4只因准备不足，才导致失败7二、单元电路设计1、脉宽调制电路设计（1）PWM调制三角波信号+5VC2C310kR810kR151k音频信号7823+5V4LM393++A3R720kR920kPWM-+R62019/8/4只因准备不足，才导致失败8（2）SPWM调制cdglab2019/8/4只因准备不足，才导致失败9（2）SSPWM调制电路SSPWM指调制信号正负半周分别进行独立的正弦脉冲调制+-+-三角波1正弦波三角波2参数正弦波电位三角波1电位三角波2电位正弦波幅值三角波幅值调整原则固定5V5V以下粗调5V以上连续调整调整固定实现负极性（低电平脉冲宽度）调制的电平关系和电路结构2019/8/4只因准备不足，才导致失败10567IC4BLM39332184IC1ANE5532R1510k567IC3BNE5532C90.01μFR1410kSSPWM调制R73.6kR86.8kRW210kC10220μF5V+12VR1310kC80.1R1210kR1010kR910kR1110kR2010kC710μFC11CAP32184IC4ALM393SSPWM调制电路2019/8/4只因准备不足，才导致失败11设计要点1、音频信号的电压幅度不能大于载波，否则会使功放产生失真。2、产生单极性PWM信号比双极性的好，在滤波后产生的纹波小。3、通过分压电路，分别给同相输入端和反相输入端提供2.5V的静态电位，为精确调整在2.5V电位，应选用精密可调电位器。2019/8/4只因准备不足，才导致失败122、载波发生器+5VNE5532A2R1R2R4R5C100pF+5VA1NE5532231465847+5V20k2.5V2V20kR3500k50k三角波输出图2-17三角波产生电路(方案二)10k81－－采用宽带运放2019/8/4只因准备不足，才导致失败13设计要点三角波的幅值为三角波频率为535RRVo15434CRRRfo2019/8/4只因准备不足，才导致失败142019/8/4只因准备不足，才导致失败153、前置放大电路设计2019/8/4只因准备不足，才导致失败16设计要点1、选用宽频带、低漂移的运放。对于uA741和OP07在相同输入条件下，当电压增益为100时，对应的带宽为10KHz；对于NE5532，当电压增益为100倍时，带宽为130KHz；对于TLC4502，当电压增益为100倍时，带宽为1.3MHz。2、整个功放的电压增益程控，在这部分进行音量调节。2019/8/4只因准备不足，才导致失败174、整形、延时、驱动及功放输出电路设计R510C540106T18050T39013T49012H桥+5VT28050T59013T690121N4148C6R510R18470由A4输出的PWM脉冲+5VH桥40106RkR1647017GGGGSSSSDDDDIRFD9120IRFD120IRFD9120IRFD120L1L1L2L2C1C1C2C2负载+5VT7T8T9T10141015特点：单边驱动参考电路一：H桥2019/8/4只因准备不足，才导致失败18T7IRF530T9530T6IRF9530T89530R26510ΩD8FR207D10FR207R2710kΩT22N2907D9FR207D11FR207Y18ΩR2110kΩ+18VT42N2907R19200ΩC110.1μFR20510ΩR232kΩR242kΩT52N7000ABCDT102N7000C121000μFC141μFL142μHC144.7μFL264μHC144.7μFL364μHC141μFL442μH截止频率15kHzT12N2222T32N2222C?100uFC?100uF高电平关闭功率管，低电平开通功率对管。适合SSPWM波的脉冲功率电路参考电路二：为了采用比较简单的激励电路，SSPWM波的脉冲功率电路选用下图所示结构。电路工作的特点是对角联合激励。2019/8/4只因准备不足，才导致失败19驱动电路（IR2130）特点：对角驱动参考电路三：全桥2019/8/4只因准备不足，才导致失败20全桥电路2019/8/4只因准备不足，才导致失败215.低通滤波器设计1）归一化LPF设计方法归一化低通滤波器设计数据，指的是特征阻抗为且截止频率为的基准低通滤波器的数据。在设计巴特沃思型的归一化LPF的情况下，以巴特沃思的归一化LPF设计数据为基准滤波器，将它的截止频率和特征阻抗变换为待设计滤波器的相应值。Hz159.02112019/8/4只因准备不足，才导致失败22对滤波器截止角频率的变换是通过先求出待设计滤波器截止角频率与基准角频率的比值M，再用这个M去除滤波器中的所有元件值来计算所需参数，其计算公式如下：基准滤波器的截止频率率待设计滤波器的截止频M(base)m(new)LML(base)m(new)CMC2019/8/4只因准备不足，才导致失败23对滤波器的特征阻抗的变换时通过先求出待设计滤波器特征阻抗与基准滤波器特征阻抗的比值中K，再用这个K去乘基准滤波器中的所有电感元件值和用这个K去除基准滤波器中所有电容元件值来计算所需参数。其计算公式如下：基准滤波器的特征阻抗抗待设计滤波器的特征阻KKLLbase)(new)(k(base)(new)kCKC2019/8/4只因准备不足，才导致失败24对于待设计的LPF滤波器而言，其计算公式为：基准电感、电容如下表所示：(base)(new)KLML(base)(new)CMKC2019/8/4只因准备不足，才导致失败252019/8/4只因准备不足，才导致失败26归一化LPF设计滤波器的步骤截止频率变换特征阻抗变换归一化低通滤波器2019/8/4只因准备不足，才导致失败272）参数计算由设计要求，通频带为300Hz－20KHz，滤波器截止频率应为40KHz。低通滤波器的负载为4，故按最大功率传输原则，四阶巴特沃思低通滤波器的特征阻抗选为4。截止频率变换特征阻抗变换四阶Butterworth低通滤波器的电感电容参数34010Hz52.512101Hz2M（）441K2019/8/4只因准备不足，才导致失败28四阶Butterworth低通滤波器的归一化LPF基准滤波器的参数，设得：待设计LPF的电容参数为：H76537.0L1H84776.1L2F84776.1C1F76537.0C2、1NEW0.765370.76537412.29μH52.51210KLM2NEW1.847761.84776429.42μH52.51210KLM1NEW1.847761.847761.84μF542.51210CMK2NEW0.765370.765370.76μF542.51210CMK2019/8/4只因准备不足，才导致失败29电感采用无损磁芯及细包漆线绕制而成，其电感值可用数字电桥测量仪器测量得到。，2019/8/4只因准备不足，才导致失败306、信号变换电路电路采用宽带放大器NE5532，增益为1，将功率放大器双端输出的信号转换为单端输出，经RC滤波供外接功率测试用。电路图如下：（双入单出）2019/8/4只因准备不足，才导致失败317、功率测量及显示电路功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成真有效值转换器选用高精度的AD637芯片，其外围元件少，频带宽，精度高于0.5%。2019/8/4只因准备不足，才导致失败328、短路保护电路峰值检波电路取样放大比较自锁2019/8/4只因准备不足，才导致失败33三、整机电路欣赏2019/8/4只因准备不足，才导致失败341、采用SSPWM调制T7IRF530T9530T6IRF9530T89530R12kR26510ΩD8FR207D10FR207R2710kΩT22N2907R67.5kR10200ΩR410kD9FR207D11FR207Y18ΩR2110kΩ+18VR22kR57.5kΩ567IC4BLM393C21000PT42N2907D312V567IC1BNE5532R19200ΩC6100PFC90.01μFC110.1μF32184IC1ANE553232184IC2ANE5532R19100kR185.1kR1610kR1710kC51μR20510ΩRW150kR232kΩR1510kC41μ567IC3BNE5532R1410kJ1PHONEJACKC10220μFC3220μFC1100μFR242kΩT52N7000ABCDR32kD27.2VSSPWM调制T102N7000R73.6kR810kRW210kD1LED音频放大三角波发生器5V5VC121000μF+12V12VR1310kC80.1R1210kR1010kR910kR358.2kΩ618IC5TL431R3410kΩC141μFL142μHC144.7μFL264μHC144.7μFL364μHC141μFL442μHR1110kR2010kC710μF截止频率15kHzT12N2222T32N2222C12100uFC?100uF高电平关闭功率管，低电平开通功率对管。C11CAP32184IC4ALM3932019/8/4只因准备不足，才导致失败352、三极管、场管混合驱动2019/8/4只因准备不足，才导致失败362019/8/4只因准备不足，才导致失败373、基于互补驱动的音频数字功放2019/8/4只因准备不足，才导致失败382019/8/4只因准备不足，才导致失败39谢谢祝同学们学习愉快