CN106603016B - 一种提高线性功放效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼容高精度、大功率、低功耗的方法，具体涉及一种提高线性功放效率的方法。一种提高线性功放效率的方法，包括可调开关电源、线性稳压模块以及控制单元；线性稳压模块包括依次连接的线性功率放大电路以及功率分立元件；本发明采用PID+恒功率控制策略动态调节功率放大电路电源电压，使得功率放大电路消耗的功率可控。与传统固定供电电源的功率放大电路相比较，可以减小由系统发热严重带来的温漂参数，同时可降低热设计的体积和成本，提高系统的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种兼容高精度、大功率、低功耗的方法，具体涉及一种提高线性功放效率的方法。
背景技术
在测试测量、源测量模块（SMU）等领域，测试晶体管/MOSFET伏安特性曲线或可充电电池的充放电曲线时通常需要用到四象限电源，该电源可工作在正电压正电流、正电压负电流、负电压正电流和负电压负电流等四个象限，其中，正电压正电流和负电压负电流和常规电源相同，为功率输出的两种情况。由于负载中可能存在电源，因此也存在正电压负电流和负电压正电流两种情况，在这两种情况下四象限电源和电子负载相同，为功率消耗的两种情况。因此，四象限电源既可以作为可编程电源进行恒压或恒流输出，又可以作为可编程电子负载进行恒压或恒流的功率消耗。
目前精度较高的电源大多采用线性功率放大电路的设计思想，其中，功率不大的电源多采用单片集成功放实现，对于大功率的电源则需要采用线性功放和功率分立器件结合搭建功率放大电路实现，这种方法需要采用较大的散热片，占用较大的空间，不利于测试设备的微型化和便携化，并且热设计不合理会对测试效果带来较大的误差。因此，通常需要调节功率放大电路的供电电源，但是保持供电电源恒高于输出电压一定值在输出电压瞬间上升时，其上升速度受限于供电电源响应速度（如图1），并且在恒压输出时瞬间负载加重会使得供电电源电压下跌，严重时会影响输出电压的稳定（如图2）。
发明内容
针对以上设计的局限性，本发明提出一种提高功率放大电路效率的方法，采用控制线性功放输出级的功耗恒定在较小范围内的方法调节线性功放的供电电源。
本发明的技术方案在于：
一种提高线性功放效率的方法，包括可调开关电源、线性稳压模块以及控制单元；线性稳压模块包括依次连接的线性功率放大电路以及功率分立元件；
其中，外部电源功率输入至可调开关电源，经过开关拓扑调整后为线性稳压模块供电；线性功率放大电路用于对输出电压电流的控制，驱动功率元件实现更大电流的输出，线性功率放大电路的设置值由控制单元进行设置；功率分立元件用于扩展线性功率放大电路的输出电压或输出电流，和线性功率放大电路形成模拟电压电流双闭环控制进行恒压或恒流输出，此外，将输出电压电流值进行采样反馈给控制单元完成恒功率计算与控制，并对可调开关电源进行动态调整，控制单元采用恒功率控制+PID调节的具体方法实现。
所述的线性功率放大电路包括运算放大器，其输出端推挽两个功率半导体器件，分别为Q1和Q2，Q1的漏极连接VCC，Q2的漏极连接VEE，Q1的源极与Q2的源极相连，Q1的源极与Q2的源极之间还设有输出电路，所述的输出电路通过检流电阻R为负载提供能量。
所述的控制单元经过数模转换器连接至线性功率放大电路的输入端，线性功率放大电路输出端与Q1和Q2的栅极相连，输出电路还通过采样电路采集输出电压和输出电流，经过二极管与门后反馈给线性功率放大电路的反相端。
所述的恒功率控制+PID调节的具体实现方法为：
在负载一定的情况下，当输出电路的输出电压升高，其可调开关电源输出也升高，当输出电路的输出电压降低，可调开关电源为了保持恒功率也跟随调压，当负载电流瞬间增大，输出电压不变时，可调开关电源电压降低以使得线性功率放大电路输出级压降减小，当负载电流瞬间减小，输出电压升高，可调开关电源先于输出电压调节，保证了输出级损耗功率的恒定；
可调开关电源、输出电压和输出电流分别经过采样和增益调整，采用调整后的可调开关电源电压与输出电压的差值乘以输出电流作为线性功率放大电路输出级功率损耗，再与设定的功耗值进行比较，将两者的差值作为PID调节的对象，经过差量式数字PID调节后输出改变开关电源的占空比，从而达到调整开关电源稳定调节的作用。
所述的功率半导体器件为三极管或MOSFET。
本发明的技术效果在于：
本发明采用PID+恒功率控制策略动态调节功率放大电路电源电压，使得功率放大电路消耗的功率可控。与传统固定供电电源的功率放大电路相比较，可以减小由系统发热严重带来的温漂参数，同时可降低热设计的体积和成本，提高系统的精度。
附图说明
图1 为开关电源恒高于输出电压一定值时上升速度受限。
图2为负载电流瞬间增大时输出电压会出现较大幅度下跌。
图3 采用恒功率控制的电路模型结构框图。
图4 为线性稳压模块示意图。
图5 恒功率控制策略。
图6 采用恒功率控制+PID调节的具体方法。
具体实施方式
实施例1
本发明叙述了一种提高线性功放效率的方法，其实施的电路模型包括可调开关电源、线性稳压模块以及控制单元；线性稳压模块包括依次连接的功率运放以及功率分立元件；
其中，外部电源功率输入至可调开关电源，经过开关拓扑调整后为线性稳压模块供电；线性功率放大电路用于对输出电压电流的控制，驱动功率元件实现更大电流的输出，线性功率放大电路的设置值由控制单元进行设置；功率分立元件用于扩展线性功率放大电路的输出电压或输出电流，和线性功率放大电路形成模拟电压电流双闭环控制进行恒压或恒流输出，此外，将输出电压电流值进行采样反馈给控制单元完成恒功率计算与控制，并对可调开关电源进行动态调整，控制单元采用恒功率控制+PID调节的具体方法实现。
所述的线性功率放大电路包括运算放大器，其输出端推挽两个功率半导体器件，分别为Q1和Q2，Q1的漏极连接VCC，Q2的漏极连接VEE，Q1的源极与Q2的源极相连，Q1的源极与Q2的源极之间还设有输出电路，所述的输出电路通过检流电阻R为负载提供能量。
所述的控制单元经过数模转换器连接至线性功率放大电路的输入端，线性功率放大电路输出端与Q1和Q2的栅极相连，输出电路还通过采样电路采集输出电压和输出电流，经过二极管与门后反馈给线性功率放大电路的反相端。
所述的恒功率控制+PID调节的具体实现方法为：
在负载一定的情况下，当输出电路的输出电压升高，其可调开关电源输出也升高，当输出电路的输出电压降低，可调开关电源为了保持恒功率也跟随调压，当负载电流瞬间增大，输出电压不变时，可调开关电源电压降低以使得线性功率放大电路输出级压降减小，当负载电流瞬间减小，输出电压升高，可调开关电源先于输出电压调节，保证了输出级损耗功率的恒定。
所述的功率半导体器件为三极管或MOSFET。
如图6所示，输出电压或输出电流的变化由控制单元经过数模转换器DAC进行设置，输出电压和输出电流通过内部模拟的电压环和电流环分别采样后通过二极管的线与操作反馈给功率运放进行模拟双闭环控制，同时通过调理电路经过模数转换器ADC反馈给控制单元，在控制单元内部实现如图6所示的控制方法：将ADC采集的可调开关电源电压、输出电压和输出电流分别经过增益调整，采用调整后的可调开关电源电压与输出电压的差值乘以输出电流作为功率放大电路输出级功率损耗，再与设定的功耗值进行比较，将两者的差值作为PID调节的对象，经过差量式数字PID调节后输出改变开关电源的占空比，从而达到调整开关电源稳定调节的作用，图6中输出参数的单延迟累加运算用于差量式数字PID计算。
实施例2
本发明的一种提高线性功放效率的方法的实施例如下，但不限于此。
一四象限电源，要求输出具有恒压0～±20V或恒流0～1A可调输出，当线性稳压模块采用恒定电源供电时，其供电电源VCC应为22V（假设在输出的功率半导体器件上压降2V），当恒压输出Vo为1V，带载1Ω时，输出电流Io为1A，其输出效率为η=Vo×Io/(Vcc×Io)×100%=4.545%，线性稳压模块输出级的功率半导体器件承受功耗为21W，若采用自然风冷的散热方式，常压下需要的散热面积为666.7cm2。当线性稳压模块采用恒功率控制的可调电源供电时，设定恒定功率为2W，当恒压输出Vo为1V，带载1Ω时，输出电流Io为1A，此时线性稳压模块的供电电源自动调整为3V，其输出效率为η=Vo×Io/(Vcc×Io)×100%=33.3%，效率提高了7.3倍，线性稳压模块输出级的功率半导体器件承受功耗不超过2W，需要的散热面积为66.7cm2，体积明显减小，功耗可控。在调节过程中可能引起系统振荡，因此采用PID调节来提高系统稳定性。
Claims (2)
1.一种提高线性功放效率的方法，其特征在于：包括可调开关电源、线性稳压模块以及控制单元；线性稳压模块包括依次连接的线性功率放大电路以及功率分立元件；
其中，外部电源功率输入至可调开关电源，经过开关拓扑调整后为线性稳压模块供电；线性功率放大电路用于对输出电压电流的控制，驱动功率元件实现更大电流的输出，线性功率放大电路的设置值由控制单元进行设置；功率分立元件用于扩展线性功率放大电路的输出电压或输出电流，和线性功率放大电路形成模拟电压电流双闭环控制进行恒压或恒流输出，此外，将输出电压电流值进行采样反馈给控制单元完成恒功率计算与控制，并对可调开关电源进行动态调整，控制单元采用恒功率控制+PID调节的具体方法实现；
所述的线性功率放大电路包括运算放大器，其输出端推挽两个功率半导体器件，分别为Q1和Q2，Q1的漏极连接VCC，Q2的漏极连接VEE，Q1的源极与Q2的源极相连，Q1的源极与Q2的源极之间还设有输出电路，所述的输出电路通过检流电阻R为负载提供能量；
所述的控制单元经过数模转换器连接至线性功率放大电路的输入端，线性功率放大电路输出端与Q1和Q2的栅极相连，输出电路还通过采样电路采集输出电压和输出电流，经过二极管与门后反馈给线性功率放大电路的反相端；
其中，恒功率控制+PID调节的具体实现方法为：
在负载一定的情况下，当输出电路的输出电压升高，其可调开关电源输出也升高，当输出电路的输出电压降低，可调开关电源为了保持恒功率也跟随调压，当负载电流瞬间增大，输出电压不变时，可调开关电源电压降低以使得线性功率放大电路输出级压降减小，当负载电流瞬间减小，输出电压升高，可调开关电源先于输出电压调节，保证了输出级损耗功率的恒定；
可调开关电源、输出电压和输出电流分别经过采样和增益调整，采用调整后的可调开关电源电压与输出电压的差值乘以输出电流作为线性功率放大电路输出级功率损耗，再与设定的功耗值进行比较，将两者的差值作为PID调节的对象，经过差量式数字PID调节后输出改变开关电源的占空比，从而达到调整开关电源稳定调节的作用。
2.根据权利要求1所述的一种提高线性功放效率的方法，其特征在于：所述的功率半导体器件为三极管或MOSFET。
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