CN103532400B - 基于市电的开关功放电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于市电的开关功放电路。该开关功放电路至少包括：用于将市电整流为直流电的整流电路；用于基于所述直流电来提供所需的共模电平的共模电平提供电路；用于基于所述直流电与所述共模电平来分别提供相互对应的正向脉宽信号与反向脉宽信号的PWM波形产生电路；用于基于所述共模电平及正反向脉宽信号来分别生成2路开关信号的开关信号生成电路；以及分别设置有受控开关的2路变压电路，其每一路的受控开关接入1路开关信号，且各自基于各自的开关信号及所述直流电来向负载提供相应方向的电能以驱动负载。本电路集变压和开关类功放于一身，而且系统结构非常简单。并且使用的是开关类功放电路，效率也高。

Description

基于市电的开关功放电路
技术领域
本发明涉及功放领域，特别是涉及一种基于市电的开关功放电路。
背景技术
开关类功率放大器是一种高效率的功率放大器，在理想情况下，可以达到100%的效率。在这种功率放大器中，驱动电压幅度足够强（过驱动），使得输出晶体管相等于受控开关，在完全导通（晶体管工作在线性区）和完全截止（晶体管工作在截止区）之间快速切换，由于流过理想开关的电流波形和开关上的电压波形不重叠，理想开关不消耗功耗，电源提供的直流功耗全部转换为输出功率，由此达到100%的效率。然而，实际电路由于开关管的状态转换中的功耗等因素，效率是难以达到100%。
正是由于开关类功率放大器的高效率，其在各类发射机中被广泛应用，不过，现有各类开关类功率放大器所需工作电压通常都不超过60V，而我国市电电压为220V，由此，现有开关类功放电路均配置有降压设备。而为了避免高频干扰，又常采用变压器而不是开关电源来作为降压设备。
例如，如图1所示，其为一种常用开关类功放电路示意图。该开关类功放电路1包括：将市电进行降压的变压器11、连接变压器11的整流电路12、连接整流电路12的滤波电容13、以及连接在稳压电容13的开关类功放本体14，该开关类功放本体14用于驱动负载15。
由上可见，由于变压器是直接将市电降压为开关类功放电路所需的低压，而市电的频率通常为50HZ或者60HZ，工作在如此低频率，导致变压器的线圈匝数较多，进而使得变压器较为笨重，，因此，需要对现有开关类功放电路进行改进。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种简单而且效率高的基于市电的开关功放电路。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于市电的开关功放电路，其至少包括：
整流电路，用于将市电整流为直流电；
共模电平提供电路，用于基于所述直流电来提供所需的共模电平；
PWM波形产生电路，用于基于所述直流电与所述共模电平来分别提供相互对应的正向脉宽信号与反向脉宽信号；
开关信号生成电路，用于基于所述共模电平及正反向脉宽信号来分别生成2路开关信号，其中，该2路开关信号在同一时刻不会使各自控制的受控开关同时导通；
分别设置有受控开关的2路变压电路，每一路的受控开关接入1路开关信号，各自基于各自的开关信号及所述直流电来向负载提供相应方向的电能以驱动负载。
优选地，所述共模电平提供电路包括降压单元及链接所述降压单元的放大单元；更为优选地，所述降压单元包括由电阻、稳压管及电容构成的电路；所述放大单元包括由电阻及运算放大器构成的具有负反馈的电路。
优选地，所述PWM波形产生电路包括：基于采样及镜像来获得随所述直流电变化而变化的两第一比较电压的第一电压生成电路、基于所述共模电压来提供第二比较电压的第二电压电路、以及基于两第一比较电压、第二比较电压来生成两路三角波信号的三角波生成电路。
优选地，所述开关信号生成电路包括比较电路及防止同时输出2路能使受控开关导通的防死区电路；更为优选地，所述防死区电路包括与门与延时单元。
优选地，2路变压电路包括具有2个原绕组、1个副绕组的变压器。
如上所述，本发明的基于市电的开关功放电路，具有以下有益效果：能减小系统的复杂性，体积和重量，尤其省去了传统笨重的50Hz或60Hz频率的变压器；此外，本电路是开关类的功放系统，效率特别高。
附图说明
图1显示为现有技术中的开关类功放电路示意图。
图2显示为本发明的基于市电的开关功放电路示意图。
图3显示为本发明的基于市电的开关功放电路的全桥整流后的输出信号波形图。
图4显示为本发明的基于市电的开关功放电路的PWM波形产生电路示意图。
元件标号说明
1开关类功放电路
11变压器
12整流电路
13滤波电容
14开关类功放本体
15负载
2开关功放电路
21整流电路
22共模电平提供电路
221降压单元
222放大单元
23PWM波形产生电路
24开关信号生成电路
241比较电路
242防死区电路
252路变压电路
26负载
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图2至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图所示，本发明提供一种基于市电的开关功放电路。所述开关功放电路2至少包括：整流电路21、共模电平提供电路22、PWM波形产生电路23、开关信号生成电路24、2路变压电路25。
所述整流电路21用于将市电整流为直流电，其优选包括整流全桥及滤波电容C21，其通过整流全桥将市电AC整流成图3所示的输出信号，该输出信号再经过滤波电容C21的滤波成普通的直流电VCC。
所述共模电平提供电路22基于所述直流电来提供所需的共模电平。
一种优选的共模电平提供电路包括降压单元221及连接所述降压单元221的放大单元222。
如图2所示，该降压单元221包括电阻R1、R2、稳压管及电容，其通过把整流电路21的滤波电容滤波后的直流电VCC经过电阻R1和稳压管，降压成低压电源，该低压电源再经过2个电阻R2分压，再经过电容去耦合滤除高频信号，形成1/2电源VDD作为共模电平。
如图2所示，所述放大单元222包括隔直电容、电阻R3、R4及运算放大器O1，该运算放大器O1的正向输入端接入所述降压单元221输出端共模电平VCOM。所述放大电路22通过隔直电容把输入信号Vin通过输入电阻R3，反馈电阻R4和运算放大器O1来完成前级信号的放大。
所述PWM波形产生电路23基于所述直流电与所述共模电平来分别提供相互对应的正向脉宽信号与反向脉宽信号。
其中，所述脉宽信号包括任何一种脉宽信号，优选地，包括但不限于三角波信号等。
优选地，所述PWM波形产生电路23可包括：基于采样及镜像来获得随所述直流电变化而变化的两第一比较电压的第一电压生成电路、基于所述共模电压来提供第二比较电压的第二电压电路、以及基于两第一比较电压、第二比较电压来生成两路三角波信号的三角波生成电路。
例如，如图4所示，其为一种优选PWM波形产生电路示意图。在该PWM波形产生电路中，整流电路21输出的直流电VCC通过电阻R5和R6分压采样，所述放大单元222的运算放大器O1正端电压为电阻R6的电压VR6=VCC*R6/（R5+R6），可见，若直流电VCC升高，则电阻R6上电压VR6也随之升高；反之，若直流电VCC降低，则电阻R6上电压VR6也随之降低。接着，基于运算放大器O1的反馈，电阻R7上电压VR7等于电阻R6上电压VR6，则MOS管M1的电流等于VR6/R7；再基于镜像管M2、M3对MOS管M1的镜像，则流过镜像管M2、M3的电流分别为VR6/R7和m*VR6/R7；再基于镜像管M5对镜像管M4的镜像，其电流为m*VR6/R7；而b点电压基于运放O2对跟随，b点电压为VCOM，也就是电压VDD。这样a点电压和c点电压分别是VCOM+R8*m*VR6/R7,VCOM-R8*m*VR6/R7。
假设刚开始时电容C1的电平为0，这样比较器COM1和COM2的输出分别是0，1。开关S1打开，恒流源I1对电容C1进行充电，当电容C1的端电压即信号PWM1电压达到b点电压，比较器COM1和COM2的输出分别是1、1，则继续对电容C1进行充电，当电容C1端电压达到a点电压，比较器COM1和COM2的输出分别是1、0，则开关S1关闭，开关S2打开，通过恒流源I2对电容C1放电；当电容C1的端电压降至b点电压，则恒流源I1对电容C1，如此恒流充电和恒流放电，不断循环，若I1=I2，则信号PWM1的波形就是一个三角波，上下拐点分别是a、b。与信号PWM1类似，PWM2的波形也是三角波，其上下拐点分别是b、c。可见，信号PWM1、PWM2各自的上下拐点的差值均随电压VCC的升高而升高、降低而降低。
所述开关信号生成电路24基于所述共模电平及正反向脉宽信号来分别生成2路开关信号，其中，该2路开关信号在同一时刻不会使各自控制的受控开关同时导通。
例如，如图2所示，该开关信号生成电路24包括比较电路241及防止同时输出2路能使受控开关导通的防死区电路242。
其中，比较电路241包括两个比较器，一个比较器将运算放大器O1的输出信号与信号PWM1进行比较生成共模电平以上部分信号的匝空比信号（即正向信号）；另一比较器将运算放大器O1的输出信号与PWM2进行比较生成共模电平以下部分信号的匝空比信号（即反向信号）。
其中，防死区电路242包括2路分别由与门与延时单元构成电路。该电路的目的是为了保证正向输出和反向输出不会同时输出“1”，否则两路输出信号会使得两个受控开关同时导通，导致连接受控开关的2路变压电路同时工作，进而信号会有抵消。
该防死区电路242的基本原理如下，若左下端输入信号为“1”时，右上端输出信号此时还是“1”还没有回归“0”，这样在经过反向器INV以及延迟单元Delay的延时后，输出的缓冲信号为“0”，再经过与门And，由此，右下角输出的信号则还是“0”；只有等到右上端输出回归到“0”，并且保持一段时间，该保持时间超过反向器INV、延迟单元Delay、与门And的延时时间，随后，输入与门And的信号均为“1”，右下端输出信号才为“1”。
所述2路变压电路25分别设置有受控开关，每一路的受控开关接入1路开关信号，各自基于各自的开关信号及所述直流电来向负载提供相应方向的电能以驱动负载。
如图2所示，所述2路变压电路25包括具有2个原绕组、1个副绕组的变压器以及两个MOS管作为受控开关。由此，经过整流电路21整流后的直流电VCC经过2个极性相反的变压器源极形成回路。这2个源极的开关分别由2个NMOS管开关决定，这2个NMOS管控制由防死区电路242输出的2个开关信号控制，从而，经过变压器在副边分别感应出顺时钟方向和逆时针方向的电流来驱动负载26。
上述电路中，PWM波形产生电路23输出的信号PWM1、PWM2的上下拐点的差值随VCC电压的升高而升高，降低而降低，再基于开关信号生成电路24的比较器，由此可保证系统的电源抑制比，也就说最终负载26上的平均电不随市电的升高而升高，降低而降低。因为直流电VCC升高，负载26上的电压信号匝空比变小了，直流电VCC降低，负载上的电压信号匝空比变大了，由此形成一个负反馈。
综上所述，本发明的基于市电的开关功放电路集变压和开关类功放于一身，省去了传统笨重的50Hz或60Hz频率的变压器，有效减小了系统体积和重量；而且，系统结构非常简单。并且使用的是开关类功放电路，效率也高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于市电的开关功放电路，其特征在于，所述基于市电的开关功放电路至少包括：
整流电路，用于将市电整流为直流电；
共模电平提供电路，用于基于所述直流电来提供所需的共模电平；
PWM波形产生电路，用于基于所述直流电与所述共模电平来分别提供相互对应的正向脉宽信号与反向脉宽信号；
开关信号生成电路，用于基于所述共模电平及正反向脉宽信号来分别生成2路开关信号，其中，该2路开关信号在同一时刻不会使各自控制的受控开关同时导通；
分别设置有受控开关的2路变压电路，每一路的受控开关接入1路开关信号，各自基于各自的开关信号及所述直流电来向负载提供相应方向的电能以驱动负载；
所述共模电平提供电路包括降压单元及连接所述降压单元的放大单元。
2.根据权利要求1所述的基于市电的开关功放电路，其特征在于：所述降压单元包括由电阻、稳压管及电容构成的电路；所述放大单元包括由电阻及运算放大器构成的具有负反馈的电路。
3.根据权利要求1所述的基于市电的开关功放电路，其特征在于：所述PWM波形产生电路包括：基于采样及镜像来获得随所述直流电变化而变化的两个第一比较电压的第一电压生成电路、基于所述共模电压来提供第二比较电压的第二电压生成电路、以及基于两个第一比较电压、第二比较电压来生成两路三角波信号的三角波生成电路。
4.根据权利要求1所述的基于市电的开关功放电路，其特征在于：所述开关信号生成电路包括比较电路及防止同时输出2路能使受控开关导通的防死区电路。
5.根据权利要求4所述的基于市电的开关功放电路，其特征在于：所述防死区电路包括与门与延时单元。
6.根据权利要求1所述的基于市电的开关功放电路，其特征在于：2路变压电路包括具有2个原绕组、1个副绕组的变压器。
7.根据权利要求1所述的基于市电的开关功放电路，其特征在于：受控开关包括MOS管。
8.根据权利要求1所述的基于市电的开关功放电路，其特征在于：所述整流电路包括整流全桥及稳压电容。
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