CN100472946C - 一种适用于电力线载波通信的数字功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种适用于电力线载波通信的，工作在数字方式下的功率放大器，它由升采样滤波器，噪声整形电路，死区控制电路，输出驱动电路以及后端所接的带通滤波电路所构成；其特点在于功率放大器工作在开关模式，具有三个输出电平，能对10～300KHz的电力线载波信号进行线性功率放大，开关工作频率在1～10MHz数量级，远高于输入信号最高频率，除了功率级以外其它部分均由数字方式实现，其优点在于功率放大器的效率高，谐波失真小，从而提高了功放的效率，减小了热损耗，简化了板级设计，同时由于采用全数字算法，一致性非常好。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于电力线载波通信的功率放大器，它由升采样滤波器，噪声整形电路，死区控制电路，输出驱动电路以及后端所接的带通滤波电路所构成，并工作在数字方式下。
背景技术
功率放大器是一种特殊的放大器，其主要功能是提供足够的输出功率，以满足系统设计要求。以用途来区分，主要有音频功率放大器和通信功率放大器，这里我们主要讨论通信功率放大器。
功率放大器的主要性能指标包括输出功率，功率转换效率等，从实现形式分为A类功放，B类功放，AB类功放，D类功放等。其中前三种都是工作在功放的线性区，而D类功放工作在开关模式下。
在低压载波通信中，现有功放主要采用线性功放技术实现。其工作模式如图1所示，调制上变频处理后得到的数字信号，通过D/A变换101，转换成模拟信号，然后输入到线性功放102，得到最终适配信道的大功率输出信号。这样处理结构简单，但缺点也很明显，低压载波信道的等效负载阻抗变化很剧烈，特别是在负载阻抗很低时，线形功放很容易产生过载失真；由于线性功放的效率不高，会大大增加系统的功耗；同时也会造成PCB局部温度升高，需要仔细考虑热设计。
D类功放通常用在输出信号频率比较低的的某些工业(如工业变频器，信号频率为1Hz以下到数百Hz)以及音频用途(20Hz到20KHz)。而低压载波通信所使用的信号载波频率一般在数十到数百KHz，所以一般的D类功放对这样高频率的信号的放大性能很差。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点，本发明提供一种全数字方式实现的功率放大器，能够大大提高功放效率，降低热耗。
本发明所提供的数字功率放大器技术方案中，除了功率输出级外均使用数字方式实现，输出信号为3值电平，这样可以更好的降低功耗并降低输出信号的失真。
本发明所提供的数字功率放大器技术方案中，采用数兆Hz到数十兆Hz的开关频率，针对低压电力线载波通信中常用的10～300KHz信号进行功率放大。
附图说明：
图1为线性功放结构框图。
图2为D类功放结构框图
图3为数字功率放大器具体实现结构图
图4为升采样滤波器模块结构图
图5为噪声整形模块结构图
图6为死区控制及功率输出级模块结构图
图7为带通滤波器实现电路图
具体实施方式
D类功放原理结构框图见图2。其中三角波发生器模块111输出高频三角波，通常其频率要比输入信号最高频率大10倍以上，脉宽调制器模块112完成输入信号的脉宽调制，将线性输入信号变成电平信号，功率级模块113完成电平信号的功率放大，由于是对电平信号进行功率放大，故晶体管工作在非线性区，效率可以做到很高(90％以上)，带通滤波器模块114完成对脉宽调制输出信号的低通滤波，最终还原线性输入信号。
在具体实现中可以有多种方式，有模拟或者数字的方式。本发明采用纯数字的方法来实现。具体实现中采用的结构见图3。输入信号为一低时钟频率的信号，首先经过一个升采样滤波器121，对输入数据作滤波处理，同时信号变换到高时钟频率；接下来数据进行噪声整形处理，输入到噪声整形模块122，这样最大程度的减小带内噪声，提高输出信号的信噪比；经过噪声整形处理的数据送入死区控制模块123，主要目的是为了避免两个开关管在切换时发生同时导通的情形，这样不会令电源短路，烧毁电路；经过死区控制处理的数据进入功率输出级124，进行功率放大；功率输出级输出的数据为三值电平，经过带通滤波器125，恢复出原始信号；图3中变压器126主要是为了电力线传输，功率放大后数据经过变压器输出到电力线上推动负载127。
图4为升采样滤波器的具体实现结构图。输入数据经过一个一阶微分器131后，进行升采样132处理，也就是高倍时钟采样，然后再经过一个一阶积分器133，完成升采样滤波。升采样滤波主要是对输入信号进行低通滤波，对于噪声来说是一个高通滤波，故可以减小通带内的噪声能量，同时有效抑制信号杂散。
图5为噪声整形模块的具体实现结构图。升采样滤波后的数据经过限幅处理后输入到一个减法器141，减法器的输出除最高2bit外的数据经过一个单元延迟142，输入到减法器，和输入数据进行减法运算，同时减法器的输出送到一个限幅器143，进行限幅处理，将输出信号限制到+1和-1之间，最终经过逻辑变换144产生噪声整形模块的输出，逻辑变换模块把输出+1，0，-1三值电平变换为适合推动全桥功率变换电路的两路输出信号。噪声整形模块可以进一步把量化噪声搬移到通带外，带外噪声可以通过后续的滤波器滤除。
图6为死区控制及功率输出级的具体实现结构图。为了避免输出开关管同时导通，要对3值电平信号进行进一步处理。输入数据首先输入到或非门151和与非门152，之后或非门和与非门输出数据进行延时处理，分别输入到非门延时回路153和154，。延时回路输出数据输入到驱动级155和156进行功率放大，放大后的信号控制开关管PMOS管157和NMOS管158，产生输出信号。151和152以及后续的非门延时单元153和154构成一个RS触发器，最终RS触发器生成两路相互重叠偏移的信号，可以高效的推动157和158组成的半桥电路。这个模块完成最终的功率放大，3值输入信号可以进一步的减小开关管切换时的功率损耗。
图7为输出带通滤波器的具体实现电路图。带通滤波器恢复出原始信号，采用简单的LC滤波器实现。输入信号经过电感161，164，电容162，165，电阻163，166完成带通滤波，具体的元器件数值随信号的要求而定，最终带通滤波器的输出驱动负载167实现整个功率放大的功能。
本发明的数字功率放大器(DPA)主要完成对输入低频信号的功率放大，而且相比传统线性功放，可以大大提高效率，对于改善系统的功耗，热设计有很大的好处。
Claims (6)
1、一种用于低压电力线载波通信的数字功率放大器，其特征在于由升采样滤波器，噪声整形电路，死区控制电路，输出驱动电路，以及用以滤除输出信号中所包含的带外噪声的后端连接带通滤波器组成。
2、根据一种权利要求1中所述的数字功率放大器，其特征在于该升采样滤波器将要放大的信号转换到更高的采样频率上，噪声整形电路将要放大的数字信号压缩成低比特的数据流。
3、根据权利要求2所述的升采样滤波器，其特征在于采用微分、升采样、积分的方式将低采样速率的数字信号变化到更高的采样速率。
4、如权利要求1所述的数字功率放大器，其特征在于该噪声整形电路包含一个减法器，一个延时单元，一个限幅器，以及一个逻辑变化电路。
5、如权利要求1所述的数字功率放大器，其特征在于该死区控制电路利用非门作为延时单元，用与非门以及或非门组成的RS触发器来达到生成两路相互重叠偏移的信号，以高效地驱动一个PMOS晶体管和一个NMOS晶体管所组成的半桥电路。
6、如权利要求1所述的数字功率放大器，其特征在于具备两个功率输出级，接成差分方式，以能输出3个电平。
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