功率电子设计竞赛讲座D－数字功放

2022-11-26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功率电子电路设计主讲：蒋主讲：蒋 守守 光光电子实验中心电子实验中心2022-11-26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2022-11-26只因准备不足，才导致失败3一、数字功放原理一、数字功放原理2011年全国大学生电子竞赛培训2022-11-26只因准备不足，才导致失败4 1、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2022-11-26只因准备不足，才导致失败52、原理框图（1）2022-11-26只因准备不足，才导致失败6原理框图（2）2022-11-26只因准备不足，才导致失败7二、单元电路设计1、脉宽调制电路设计脉宽调制电路设计 （1）PWM调制三角波信号三角波信号+5VC2 C310kR810kR151k音频信号音频信号7823+5V4LM393+A3R720kR920kPWM-+R62022-11-26只因准备不足，才导致失败8（2）SPWM调制cdglab123456ABCD654321DCBA-12V+12V34119138146110IC6LM361R10100R20100Q39013Q49013R162KR212K+12V+12V12J4CON212J5CON2SINTRI+5V比较电路电平提升电路SPWM互补信号输出C14104C151042022-11-26只因准备不足，才导致失败9（2）SSPWM调制电路调制电路 SSPWM指调制信号正负半周指调制信号正负半周分别进行独立的正弦脉冲调制分别进行独立的正弦脉冲调制+-+-三角波1正弦波三角波2参数参数正弦波电位正弦波电位三角波三角波1 1电位电位三角波三角波2 2电位电位正弦波幅值正弦波幅值三角波幅值三角波幅值调整原则调整原则固定固定5V5V5V5V以下粗调以下粗调5V5V以上连续调整以上连续调整调整调整固定固定实现负极性（低电平脉冲宽度）实现负极性（低电平脉冲宽度）调制的电平关系和电路结构调制的电平关系和电路结构2022-11-26只因准备不足，才导致失败10567IC4BLM39332184IC1ANE5532R1510k567IC3BNE5532C90.01FR1410kSSPWM调制R73.6kR86.8kRW210kC10220F5V+12VR1310kC80.1R1210kR1010kR910kR1110kR2010kC710FC11CAP32184IC4ALM393SSPWM调制电路调制电路2022-11-26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、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。则会使功放产生失真。2、产生单极性、产生单极性PWM信号比双极性的好，在信号比双极性的好，在滤波后产生的纹波小。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、通过分压电路，分别给同相输入端和反相输入端提供相输入端提供2.5V的静态电位，为精确调整的静态电位，为精确调整在在2.5V电位，应选用精密可调电位器。电位，应选用精密可调电位器。2022-11-26只因准备不足，才导致失败122、载波发生器+5VNE5532A2R1R2R4R5C 100pF+5VA1NE5532231465847+5V20k2.5V2V20kR3500k50k三三角角波波输输出出图2-17 三角波产生电路(方案二)10k81采用宽带运放采用宽带运放 2022-11-26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的幅值为 三角波频率为三角波频率为 535RRVo15434CRRRfo2022-11-26只因准备不足，才导致失败14123456ABCD654321DCBA32184IC1ATL082+5V-5VC2104C7104C1102R1100K113322R3100K23765184IC2LM311-5VC4104C3104+5VR5100KR61K+5VR210KR410K积分电路比较电路32184IC3ATL082567IC3BTL082R122KR132KR1410KC8104C9104+12V-12V123J3CON3TRI三角载波模块放大电路射随输出电路2022-11-26只因准备不足，才导致失败153、前置放大电路设计前置放大电路设计 2022-11-26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。2022-11-26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、整形、延时、驱动及功放输出电路设计 R 510C5 40106T18050T39013T49012H 桥桥+5 VT28050T59013T690121N 4148C6 R510R18 470由由A4输输 出出 的的PW M 脉脉 冲冲+5 VH 桥桥40106RkR16 47017GGGGSSSSDDDDIR FD 9120IR FD120IR FD 9120IR FD120L1L1L2L2C1C1C2C2负负 载载+5 VT7T8T9T10141015特点：单边驱动特点：单边驱动参考电路一：参考电路一：H桥桥2022-11-26只因准备不足，才导致失败18T 7IR F530T 9530T 6IR F9530T 89530R 26510D 8FR 207D 10FR 207R 2710kT 22N 2907D 9FR 207D 11FR 207Y 18R 2110k+18VT 42N 2907R 19200C 110.1FR 20510R 232kR 242kT 52N 7000ABCDT 102N 7000C 121000FC 141FL 142HC 144.7FL 264HC 144.7FL 364HC 141FL 442H截 止 频 率 15kHzT 12N 2222T 32N 2222C?100uFC?100uF高 电 平 关 闭 功 率 管，低 电 平 开 通 功 率 对 管。适合适合SSPWM波的脉冲功率电路波的脉冲功率电路参考电路二：参考电路二：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。2022-11-26只因准备不足，才导致失败19驱动电路（IR2130）1234ABCD4321DCBAVCC1IN2COM3LO4NC5VS6HO7VB8IC1IR2111+12VC70.47uf12J6CON2D3FR307C80.47ufR320R620VCC1IN2COM3LO4NC5VS6HO7VB8IC2IR2111+12VC100.47uf12J7CON2D7FR307C110.47ufR720R820SPWM1SPWM2SPWM3SPWM4VS1VS2SPWM脉冲信号输入特点：对角驱动特点：对角驱动参考电路三：全桥参考电路三：全桥2022-11-26只因准备不足，才导致失败20全桥全桥电路1234ABCD4321DCBAG1D2S3Q1IRF540Q2IRF540Q3IRF540Q4IRF540D12FR307D13FR307D18FR307D17FR307SPWM1SPWM2SPWM3SPWM4VS1VS212J4DC_IN大功率直流输入+C161000UFC1710312J5CON22022-11-26只因准备不足，才导致失败215.低通滤波器设计低通滤波器设计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。Hz159.02112022-11-26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)CMC2022-11-26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：基基准准滤滤波波器器的的特特征征阻阻抗抗抗抗待待设设计计滤滤波波器器的的特特征征阻阻KKLLbase)(new)(k(base)(new)kCKC2022-11-26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)K LML(base)(new)CM KC2022-11-26只因准备不足，才导致失败252022-11-26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2022-11-26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300Hz20KHz，滤滤波器截止频率应为波器截止频率应为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340 10 Hz52.512 101Hz2M（）441K2022-11-26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：H76537.0L1H84776.1L2F84776.1C1F76537.0C2、1NEW0.765370.76537 412.29H52.512 10KLM2NEW1.847761.84776 429.42H52.512 10KLM1NEW1.847761.847761.84 F542.512 10CM K2NEW0.765370.765370.76F542.512 10CM K2022-11-26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。，2022-11-26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）2022-11-26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%。2022-11-26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2022-11-26只因准备不足，才导致失败33三、整机电路欣赏三、整机电路欣赏2022-11-26只因准备不足，才导致失败341、采用、采用SSPWM调制调制T7IRF530T9530T6IRF9530T89530R12kR26510D8FR207D10FR207R2710kT22N2907R67.5kR10200R410kD9FR207D11FR207Y18R2110k+18VR22kR57.5k567IC4BLM393C21000PT42N2907D312V567IC1BNE5532R19200C6100PFC90.01FC110.1F32184IC1ANE553232184IC2ANE5532R19100kR185.1kR1610kR1710kC51R20510RW150kR232kR1510kC41567IC3BNE5532R1410kJ1PHONEJACKC10220FC3220FC1100FR242kT52N7000ABCDR32kD27.2VSSPWM调 制T102N7000R73.6kR810kRW210kD1LED音 频 放 大三 角 波 发 生 器5V5VC121000F+12V12VR1310kC80.1R1210kR1010kR910kR358.2k618IC5TL431R3410kC141FL142HC144.7FL264HC144.7FL364HC141FL442HR1110kR2010kC710F截 止 频 率 15kHzT12N2222T32N2222C12100uFC?100uF高 电 平 关 闭 功 率 管，低 电 平 开 通 功 率 对 管。C11CAP32184IC4ALM3932022-11-26只因准备不足，才导致失败352、三极管、场管混合驱动2022-11-26只因准备不足，才导致失败362022-11-26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2022-11-26只因准备不足，才导致失败382022-11-26只因准备不足，才导致失败39谢谢 谢谢祝同学们学习愉快祝同学们学习愉快