CN110212793A - 一种音频功率放大器的供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种音频功率放大器的供电系统，包括：PFC电路，PFC电路的输入端连接到交流电源；隔离DC‑DC电路，隔离DC‑DC电路的输入端与PFC电路的输出端相连；非隔离DC‑DC电路，非隔离DC‑DC电路的输入端与隔离DC‑DC电路的输出端相连，非隔离DC‑DC电路的输出端连接到音频功率放大器，其中，非隔离DC‑DC电路的开关频率大于等于500kHz。本发明能够有效提高音频功率放大器输出声音的质量，使得输出声音干净、听感清晰，并且体积、重量较小，成本较低。

Description

一种音频功率放大器的供电系统
技术领域
本发明涉及供电电路技术领域，具体涉及一种音频功率放大器的供电系统。
背景技术
工频隔离变压器加整流二极管和大容量滤波电解电容组成的供电电源，具有高可靠性、高稳定性、低输出纹波等特点。因此工频隔离电源广泛应用于各种功率段的音频功率放大器上，使其输出的声音听感清晰。但是在中大功率的应用场合中，工频隔离电源隔离变压器的体积和滤波电容的数量随之增大，增加了音频功率放大器的体积和重量，导致需要频繁移动的舞台音频功率放大器的使用非常不便。工频隔离电源具有低输入功率因素的特点，在大功率应用场合，对电网污染严重，且工频隔离电源的电网电压范围适应性差，电网波动严重时，甚至会损坏后级放大器电路。
为了改善音频功率放大器工频隔离供电电源的高重量、大体积、高谐波、电网电压适应能力差等问题，大多数厂家使用了高频开关电源技术，使用PFC（Power FactorCorrection，功率因数校正）电路加隔离DC-DC替代工频隔离电源，解决了工频隔离电源的上述问题，但是由于当前隔离DC-DC主要工作在400V高压的条件下，其开关频率大多数工作在200kHz以下，其输出电压纹波含有200kHZ的基波和其多次谐波，该基波和谐波会叠加在音频功率放大器的输出上面。由于音频功率放大器输出的谐波响应范围在5-300kHz左右，200kHz的基波和其谐波对声音的清晰度产生了影响，造成了听感下降。同时，200kHz的开关频率表无法满足300kHz音频输出的动态响应要求。满足输出纹波基波及其谐波、以及动态响应大于300kHz的方法有：1、将隔离DC-DC的开关频率提升至500kHz以上，对于工作在400V电压下的隔离DC-DC，如果需要将开关频率提高至500kHz，则需使用宽禁带的功率开关器件，例如碳化硅MOS和氮化镓MOS，使得系统成本大大提升；2、增加输出滤波电容的数量，这样会提升系统成本，且改善效果有限。
发明内容
本发明为至少在一定程度上解决上述技术问题，提供了一种音频功率放大器的供电系统，能够有效提高音频功率放大器输出声音的质量，使得输出声音干净、听感清晰，并且体积、重量较小，成本较低。
本发明采用的技术方案如下：
一种音频功率放大器的供电系统，包括：PFC电路，所述PFC电路的输入端连接到交流电源；隔离DC-DC电路，所述隔离DC-DC电路的输入端与所述PFC电路的输出端相连；非隔离DC-DC电路，所述非隔离DC-DC电路的输入端与所述隔离DC-DC电路的输出端相连，所述非隔离DC-DC电路的输出端连接到所述音频功率放大器，其中，所述非隔离DC-DC电路的开关频率大于等于500kHz。
所述PFC电路包括：由四个二极管构成的整流电路，所述整流电路的两个交流端对应连接到所述交流电源的两端；第一电感，所述第一电感的一端与所述整流电路的一个直流端相连；升压二极管，所述升压二极管的阳极与所述第一电感的另一端相连，所述升压二极管的阴极作为所述PFC电路的一个输出端；PFC开关管，所述PFC开关管的一端与所述第一电感的另一端相连，所述PFC开关管的另一端与所述整流电路的另一个直流端相连，并作为所述PFC电路的另一个输出端。
所述PFC电路包括：第一电感，所述第一电感的一端连接到所述交流电源的一端；由两个开关管和两个二极管构成的整流电路，其中，所述两个开关管之间的连接节点作为所述整流电路的一个交流端，所述两个二极管之间的连接节点作为所述整流电路的另一个交流端，所述整流电路的一个交流端与所述第一电感的另一端相连，所述整流电路的另一个交流端连接到所述交流电源的另一端，所述整流电路的两个直流端对应作为所述PFC电路的两个输出端。
所述隔离DC-DC电路包括：由两个电容和两个开关管构成的逆变电路，其中，所述两个开关管之间的连接节点作为所述逆变电路的一个交流端，所述两个电容之间的连接节点作为所述逆变电路的另一个交流端，所述逆变电路的两个直流端与所述PFC电路的输出端相连。
所述隔离DC-DC电路包括：由四个开关管构成的逆变电路，所述逆变电路的两个直流端与所述PFC电路的输出端相连。
所述隔离DC-DC电路还包括：隔离变压器，所述隔离变压器的初级绕组的一端与所述逆变电路的一个交流端相连，所述隔离变压器的初级绕组的另一端通过电容与所述逆变电路的另一个交流端相连，所述隔离变压器的次级绕组的中间抽头作为所述隔离DC-DC电路的一个输出端；第一整流二极管，所述第一整流二极管的阳极与所述隔离变压器的次级绕组的一端相连；第二整流二极管，所述第二整流二极管的阳极与所述隔离变压器的次级绕组的另一端相连，所述第二整流二极管的阴极与所述第一整流二极管的阴极相连，并作为所述隔离DC-DC电路的另一个输出端。
所述非隔离DC-DC电路包括一个开关管和一个二极管。
其中，所述二极管的阳极与所述隔离DC-DC电路的一个输出端相连，并作为所述非隔离DC-DC电路的一个输出端，所述开关管的一端与所述隔离DC-DC电路的另一个输出端相连，所述开关管的另一端与所述二极管的阴极相连，并作为所述非隔离DC-DC电路的另一个输出端。
其中，所述开关管的一端与所述隔离DC-DC电路的一个输出端相连，并作为所述非隔离DC-DC电路的一个输出端，所述开关管的另一端与所述隔离DC-DC电路的另一个输出端相连，所述二极管的阳极与所述开关管的另一端相连，所述二极管的阴极作为所述非隔离DC-DC电路的另一个输出端。
所述隔离DC-DC电路的输出端和所述非隔离DC-DC电路的输出端均连接有滤波电路。
本发明的有益效果：
本发明实施例的音频功率放大器的供电系统，通过在PFC电路和隔离DC-DC电路后级设置500kHz以上开关频率的非隔离DC-DC电路，能够使得输出电压的基波和谐波以及动态响应大于音频功率放大器响应范围的300kHz，从而能够有效提高音频功率放大器输出声音的质量，使得输出声音干净、听感清晰，并且体积、重量较小，成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例的音频功率放大器的供电系统的方框示意图；
图2为本发明第一方面实施例的音频功率放大器的供电系统的电路拓扑图；
图3为本发明第二方面实施例的音频功率放大器的供电系统的电路拓扑图；
图4为本发明第三方面实施例的音频功率放大器的供电系统的电路拓扑图；
图5为本发明第四方面实施例的音频功率放大器的供电系统的电路拓扑图；
图6为本发明第五方面实施例的音频功率放大器的供电系统的电路拓扑图；
图7为本发明第六方面实施例的音频功率放大器的供电系统的电路拓扑图；
图8为本发明第七方面实施例的音频功率放大器的供电系统的电路拓扑图；
图9为本发明第八方面实施例的音频功率放大器的供电系统的电路拓扑图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例的音频功率放大器的供电系统，包括PFC电路10、隔离DC-DC电路20和非隔离DC-DC电路30。其中，PFC电路10的输入端连接到交流电源；隔离DC-DC电路20的输入端与PFC电路10的输出端相连；非隔离DC-DC电路30的输入端与隔离DC-DC电路20的输出端相连，非隔离DC-DC电路30的输出端连接到音频功率放大器，其中，非隔离DC-DC电路30的开关频率大于等于500kHz，具有较高的动态响应。
在本发明的实施例中，上述的PFC电路10、隔离DC-DC电路20和非隔离DC-DC电路30分别给出两种电路结构，不同电路结构相连接构成图2至图9所示的供电系统。
在本发明的一个实施例中，如图2至图5所示，PFC电路10可包括由四个二极管D1~D4构成的整流电路、第一电感L1、升压二极管D5和PFC开关管Q1。其中，整流电路的两个交流端对应连接到交流电源的两端；第一电感L1的一端与整流电路的一个直流端相连；升压二极管D5的阳极与第一电感L1的另一端相连，升压二极管D5的阴极作为PFC电路10的一个输出端；PFC开关管Q1的一端与第一电感L1的另一端相连，PFC开关管Q1的另一端与整流电路的另一个直流端相连，并作为PFC电路10的另一个输出端。
在本发明的另一个实施例中，如图6至图9所示，PFC电路10可包括第一电感L1及由两个开关管Q1、Q2和两个二极管D1、D2构成的整流电路。其中，第一电感L1的一端连接到交流电源的一端；两个开关管Q1、Q2之间的连接节点作为整流电路的一个交流端，两个二极管D1、D2之间的连接节点作为整流电路的另一个交流端，整流电路的一个交流端与第一电感L1的另一端相连，整流电路的另一个交流端连接到交流电源的另一端，整流电路的两个直流端对应作为PFC电路10的两个输出端。
在本发明的一个实施例中，如图2、图3、图6和图7所示，隔离DC-DC电路20可包括由两个电容C1、C2和两个开关管Q2、Q3或MOS3、MOS4构成的逆变电路，其中，两个开关管之间的连接节点作为逆变电路的一个交流端，两个电容之间的连接节点作为逆变电路的另一个交流端，逆变电路的两个直流端与PFC电路10的输出端相连。
在本发明的另一个实施例中，如图4、图5、图8和图9所示，隔离DC-DC电路20可包括由四个开关管Q2~Q5或Q3~Q6构成的逆变电路，逆变电路的两个直流端与PFC电路10的输出端相连。
进一步地，如图2至图9所示，隔离DC-DC电路20还可包括隔离变压器T1、第一整流二极管D3或D6、第二整流二极管D4或D7。其中，隔离变压器T1的初级绕组的一端与逆变电路的一个交流端相连，隔离变压器T1的初级绕组的另一端通过电容C3或C2与逆变电路的另一个交流端相连，隔离变压器T1的次级绕组的中间抽头作为隔离DC-DC电路20的一个输出端；第一整流二极管D3或D6的阳极与隔离变压器T1的次级绕组的一端相连；第二整流二极管D4或D7的阳极与隔离变压器T1的次级绕组的另一端相连，第二整流二极管D4或D7的阴极与第一整流二极管D3或D6的阴极相连，并作为隔离DC-DC电路20的另一个输出端。
如图2至图9所示，非隔离DC-DC电路30可包括一个开关管和一个二极管。
在本发明的一个实施例中，如图2、图4、图6和图8所示，二极管D8或D5的阳极与隔离DC-DC电路20的一个输出端相连，并作为非隔离DC-DC电路30的一个输出端，开关管Q4、Q6、Q7或MOS5的一端与隔离DC-DC电路20的另一个输出端相连，开关管Q4、Q6、Q7或MOS5的另一端与二极管D8或D5的阴极相连，并作为非隔离DC-DC电路30的另一个输出端。
在本发明的另一个实施例中，如图3、图5、图7和图9所示，开关管Q4、Q6、Q7或MOS5的一端与隔离DC-DC电路20的一个输出端相连，并作为非隔离DC-DC电路30的一个输出端，开关管Q4、Q6、Q7或MOS5的另一端与隔离DC-DC电路20的另一个输出端相连，二极管D8或D5的阳极与开关管Q4、Q6、Q7或MOS5的另一端相连，二极管D8或D5的阴极作为非隔离DC-DC电路30的另一个输出端。
非隔离DC-DC电路30的两个输出端分别对应连接到音频功率放大器的供电正极端和供电负极端，以为音频功率放大器供电。
此外，隔离DC-DC电路20的输出端和非隔离DC-DC电路30的输出端均连接有滤波电路。如图2、图4、图6和图8所示，隔离DC-DC电路20的输出端连接有滤波电感L2和滤波电容C3或C4，非隔离DC-DC电路30的输出端连接有滤波电感L3和滤波电容C4或C5。如图3、图5、图7和图9所示，隔离DC-DC电路20的输出端连接有滤波电感L2、滤波电感L3和滤波电容C1、C3或C4，非隔离DC-DC电路30的输出端连接有滤波电容C4或C5。对于包含由四个开关管构成的逆变电路的供电系统，如图4、图5、图8和图9所示，PFC电路10的两个输出端之间还可连接有滤波电容C1。
需要说明的是，上述图2至图9中各个元件的标号依照其在各自附图中的排序生成，不同附图中相同的标号并不表示同一元件。
在本发明的一个具体实施例中，上述的开关管可以为NMOS管，其两端分别为NMOS管的漏极和源极，其控制端，即NMOS管的栅极可连接到控制电路，由控制电路输出相应的开关信号，例如PWM信号，控制开关管的开通、关断，从而使开关管所在电路实现相应功能。
在本发明的一个具体实施例中，电网交流电的电压范围可处于85V~276V之间，隔离DC-DC电路20可将PFC电路10输出的400V直流电压转换为隔离的200V以下的直流电压，具有高动态响应的非隔离DC-DC电路30可根据音频功率放大器所需功率将隔离DC-DC电路20输出的200V以下的直流电压转换为相应的直流电压。
根据本发明实施例的音频功率放大器的供电系统，通过在PFC电路和隔离DC-DC电路后级设置500kHz以上开关频率的非隔离DC-DC电路，能够使得输出电压的基波和谐波以及动态响应大于音频功率放大器响应范围的300kHz，从而能够有效提高音频功率放大器输出声音的质量，使得输出声音干净、听感清晰，并且体积、重量较小，成本较低。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种音频功率放大器的供电系统，其特征在于，包括：
PFC电路，所述PFC电路的输入端连接到交流电源；
隔离DC-DC电路，所述隔离DC-DC电路的输入端与所述PFC电路的输出端相连；
非隔离DC-DC电路，所述非隔离DC-DC电路的输入端与所述隔离DC-DC电路的输出端相连，所述非隔离DC-DC电路的输出端连接到所述音频功率放大器，其中，所述非隔离DC-DC电路的开关频率大于等于500kHz。
2.根据权利要求1所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，所述PFC电路包括：
由四个二极管构成的整流电路，所述整流电路的两个交流端对应连接到所述交流电源的两端；
第一电感，所述第一电感的一端与所述整流电路的一个直流端相连；
升压二极管，所述升压二极管的阳极与所述第一电感的另一端相连，所述升压二极管的阴极作为所述PFC电路的一个输出端；
PFC开关管，所述PFC开关管的一端与所述第一电感的另一端相连，所述PFC开关管的另一端与所述整流电路的另一个直流端相连，并作为所述PFC电路的另一个输出端。
3.根据权利要求1所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，所述PFC电路包括：
第一电感，所述第一电感的一端连接到所述交流电源的一端；
由两个开关管和两个二极管构成的整流电路，其中，所述两个开关管之间的连接节点作为所述整流电路的一个交流端，所述两个二极管之间的连接节点作为所述整流电路的另一个交流端，所述整流电路的一个交流端与所述第一电感的另一端相连，所述整流电路的另一个交流端连接到所述交流电源的另一端，所述整流电路的两个直流端对应作为所述PFC电路的两个输出端。
4.根据权利要求1所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，所述隔离DC-DC电路包括：
由两个电容和两个开关管构成的逆变电路，其中，所述两个开关管之间的连接节点作为所述逆变电路的一个交流端，所述两个电容之间的连接节点作为所述逆变电路的另一个交流端，所述逆变电路的两个直流端与所述PFC电路的输出端相连。
5.根据权利要求1所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，所述隔离DC-DC电路包括：
由四个开关管构成的逆变电路，所述逆变电路的两个直流端与所述PFC电路的输出端相连。
6.根据权利要求4或5所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，所述隔离DC-DC电路还包括：
隔离变压器，所述隔离变压器的初级绕组的一端与所述逆变电路的一个交流端相连，所述隔离变压器的初级绕组的另一端通过电容与所述逆变电路的另一个交流端相连，所述隔离变压器的次级绕组的中间抽头作为所述隔离DC-DC电路的一个输出端；
第一整流二极管，所述第一整流二极管的阳极与所述隔离变压器的次级绕组的一端相连；
第二整流二极管，所述第二整流二极管的阳极与所述隔离变压器的次级绕组的另一端相连，所述第二整流二极管的阴极与所述第一整流二极管的阴极相连，并作为所述隔离DC-DC电路的另一个输出端。
7.根据权利要求1所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，所述非隔离DC-DC电路包括一个开关管和一个二极管。
8.根据权利要求7所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，其中，所述二极管的阳极与所述隔离DC-DC电路的一个输出端相连，并作为所述非隔离DC-DC电路的一个输出端，所述开关管的一端与所述隔离DC-DC电路的另一个输出端相连，所述开关管的另一端与所述二极管的阴极相连，并作为所述非隔离DC-DC电路的另一个输出端。
9.根据权利要求7所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，其中，所述开关管的一端与所述隔离DC-DC电路的一个输出端相连，并作为所述非隔离DC-DC电路的一个输出端，所述开关管的另一端与所述隔离DC-DC电路的另一个输出端相连，所述二极管的阳极与所述开关管的另一端相连，所述二极管的阴极作为所述非隔离DC-DC电路的另一个输出端。
10.根据权利要求1所述的音频功率放大器的供电系统，其特征在于，所述隔离DC-DC电路的输出端和所述非隔离DC-DC电路的输出端均连接有滤波电路。
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