CN112260668B - 一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路，高频开关管交替导通从直流电源取电，使得LC谐振腔谐振，从而使五绕组变压器原边绕组流入高频交流电流，分别经过正极性混频开关管和负极性混频开关管整流之后，再经过滤波电容滤波会在负载两端分别产生正极性和负极性的直流电压，通过控制电路交替控制正极性混频开关管和负极性混频开关管工作，即可在负载两端产生双极性方波，由于电路输出电平的极性由控制电路决定，且其频率也可由控制电路控制，故当控制电路给出一个属于极低频范围的低频驱动信号来控制电路时，输出为极低频双极性方波。

Description

一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路
技术领域
本发明涉及数字电路领域，更具体地，涉及一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路。
背景技术
目前，工业领域智能化步伐加快，各种传感器需求逐年递增，对低电压大电流数字功率放大器也提出了新的要求；然而目前对于低电压大电流数字功率放大器行业内仍普遍采用传统的H桥直驱电路，此类电路在低电压大电流工况下由于占空比较低，使得开关管大部分时间处于开关过程中，造成开关损耗过大且容易引入谐波造成波形失真；且由于传统H桥电路需要在输出端加装LC滤波器，使得一部分能量损失在滤波器电感上，减小了能量利用效率，间接影响了系统整体的性能。
发明内容
本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路，包括高频开关管、LC谐振腔、五绕组变压器、正极性混频开关管、负极性混频开关管、滤波电容及负载和控制电路，所述高频开关管的输入端接入电源，所述高频开关管的输出端通过所述LC谐振腔与所述五绕组变压器的原边绕组电连接，所述五绕组变压器的副边绕组分别与所述正极性混频开关管的输入端和所述负极性混频开关管的输入端电连接，所述正极性混频开关管的输出端和所述负极性混频开关管的输出端均与所述滤波电容及负载电连接，所述控制电路分别与所述高频开关管、所述正极性混频开关管和所述负极性混频开关管电连接；
所述高频开关管交替导通从直流电源取电，使得LC谐振腔谐振，使所述五绕组变压器的原边线圈流入一个高频交流电流，分别经过所述正极性混频开关管和所述负极性混频开关管整流之后，经过所述滤波电容及负载分别产生正极性和负极性的直流电压；
通过所述控制电路交替控制所述正极性混频开关管和所述负极性混频开关管工作，在所述滤波电容及负载两端产生极低频的双极性方波。
在上述技术方案的基础上，本发明实施例还可以作出如下改进。
优选的，所述高频开关管包括第一开关器件S1和第二开关器件S2，所述第一开关器件S1的第一端接入电源，所述第一开关器件S1的第二端分别与所述第二开关器件S2和所述LC谐振腔电连接，所述第一开关器件S1的控制端与所述控制电路电连接；
所述第二开关器件S2的第二端分别与电源负极和所述五绕组变压器的原边绕组电连接，所述第二开关器件S2的控制端与所述控制电路电连接。
优选的，所述LC谐振腔包括谐振电容Cr和谐振电感Lr，所述谐振电感Lr的第一端与所述第一开关器件S1的第二端电连接，所述谐振电感Lr通过所述谐振电容Cr与所述五绕组变压器的原边绕组电连接。
优选的，所述五绕组变压器包括原边绕组Np、励磁电感Lm、第一副边绕组Ns1、第二副边绕组Ns2、第三副边绕组Ns3和第四副边绕组Ns4；
所述原边绕组Np的同名端与所述谐振电容Cr电连接，所述原边绕组Np的异名端连接电源，所述励磁电感Lm的第一端与所述原边绕组Np的同名端相连，所述励磁电感Lm的第二端与所述原边绕组Np的异名端相连，所述第一副边绕组Ns1的同名端与所述正极性混频开关管电连接，所述第一副边绕组Ns1的异名端分别与所述第二副边绕组Ns2的同名端以及所述滤波电容及负载电连接，所述第二副边绕组Ns2的异名端与所述正极性混频开关管电连；
所述第三副边绕组Ns3的同名端与所述负极性混频开关管电连接，所述第三副边绕组Ns3的异名端分别与所述第四副边绕组Ns4的同名端以及所述滤波电容及负载电连接，所述第四副边绕组Ns4的异名端与所述负极性混频开关管电连接。
优选的，所述正极性混频开关管包括第三开关器件S3和第四开关器件S4，所述负极性混频开关管包括第五开关器件S5和第六开关器件S6；
所述第三开关器件S3的第一端与所述第一副边绕组Ns1的同名端电连接，所述第三开关器件S3的第二端分别与所述第四开关器件N4的第二端和所述滤波电容及负载电连接，所述第三开关器件S3的控制端与所述控制电路电连接；
所述第四开关器件S4的第一端与所述第二副边绕组Ns2的同名端电连接，所述第四开关器件S4的第二端分别与所述第三开关器件S3的第二端和所述滤波电容及负载电连接；
所述第五开关器件S5的第一端与所述第三副边绕组Ns3的同名端电连接，所述第五开关器件S5的第二端分别与所述第六开关器件S6的第二端和所述滤波电容及负载电连接，所述第五开关器件S5的控制端与所述控制电路电连接；
所述第六开关器件S6的第一端与所述第四副边绕组Ns4的同名端电连接，所述第六开关器件S6的第二端分别与所述第五开关器件S5的第二端和所述滤波电容及负载电连接。
优选的，所述滤波电容及负载包括滤波电容Cout和负载电阻Rout，所述滤波电容Cout与所述负载电阻Rout并联，所述滤波电容Cout的第一端与所述第三开关器件S3的第二端电连接，还与所述第三副边绕组Ns3和第四副边绕组Ns4的共同端电连接，所述滤波电容Cout的第二端与所述第一副边绕组Ns1和第二副边绕组Ns2的公共端电连接，还与所述第六开关器件S6的第二端电连接。
优选的，所述控制电路包括高频脉冲信号发生器P1、低频脉冲信号发生器P2、第一死区发生器B1、第二死区发生器B2、第一与门N1、第二与门N2、第三与门N3和第四与门N4；
其中，所述高频脉冲信号发生器P1的第一输出端通过第一死区发生器B1的第一输出端与所述第一开关器件S1的控制端电连接，还分别与第一与门N1和第三与门N3的第一输入端电连接，所述高频脉冲信号发生器P1的第二输出端通过第一死区发生器的第二输出端与所述第二开关器件S2的控制端电连接，还分别与第二与门N2和第四与门N4的第一输入端电连接；
所述低频脉冲信号发生器P2的第一输出端通过第二死区发生器B2的第一输出端分别与所述第一与门N1的第二输入端和第二与门N2的第二输入端电连接，所述低频脉冲信号发生器P2的第二输出端通过第二死区发生器B2的第二输出端分别与第三与门N3的第二输入端和第四与门N4的第二输入端电连接；
所述第一与门N1的输出端与所述第三开关器件S3的控制端电连接，所述第二与门N2的输出端与所述第四开关器件S4的控制端电连接，所述第三与门N3的输出端与所述第五开关器件S5的控制端电连接，所述第四与门N4的输出端与所述第六开关器件S6的控制端电连接。
优选的，所述第一开关器件S1和所述第二开关器件S2均包括Mos管、二极管和寄生电容；
所述二极管的阴极与所述Mos管的漏极电连接，所述二极管的阳极与所述Mos管的源极电连接，所述寄生电容连接与所述二极管的阴极与阳极之间，所述Mos管的漏极作为第一端，源极作为第二端，栅极作为控制端。
优选的，所述所述第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6均包括Mos管、二极管和寄生电容；
所述二极管的阴极与所述Mos管的漏极电连接，所述二极管的阳极与所述Mos管的源极电连接，所述寄生电容连接与所述二极管的阴极与阳极之间，所述Mos管的漏极作为第一端，源极作为第二端，栅极作为控制端。
本发明实施例提供的一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路，高频开关管交替导通从直流电源取电，使得LC谐振腔谐振，从而使五绕组变压器原边线圈流入一个高频交流电流，分别经过正极性混频开关管和负极性混频开关管整流之后，再经过滤波电容滤波会在负载两端分别产生正极性和负极性的直流电压，通过控制电路交替控制正极性混频开关管和负极性混频开关管工作，即可在负载两端产生双极性方波，由于电路输出电平的极性由控制电路决定，且其频率也可由控制电路控制，故当控制电路给出一个属于极低频范围的低频驱动信号来控制电路时，输出为极低频双极性方波。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种产生极低频方波的数字功率放大器电路的结构示意图；
图2为每一个开关器件的电路结构示意图；
图3（1）为数字功率放大器电路的正极性阶段一原理图；
图3（2）为数字功率放大器电路的正极性阶段二原理图；
图3（3）为数字功率放大器电路的正极性阶段三原理图；
图3（4）为数字功率放大器电路的正极性阶段四原理图；
图3（5）为数字功率放大器电路的正极性阶段五原理图；
图3（6）为数字功率放大器电路的正极性阶段六原理图；
图4（1）为数字功率放大器电路的负极性阶段一原理图；
图4（2）为数字功率放大器电路的负极性阶段二原理图；
图4（3）为数字功率放大器电路的负极性阶段三原理图；
图4（4）为数字功率放大器电路的负极性阶段四原理图；
图4（5）为数字功率放大器的负极性阶段五原理图；
图4（6）为数字功率放大器的负极性阶段六原理图；
图5为本发明实施例提供的一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路的高频工作波形图；
图6为本发明实施例提供的一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路的低频工作波形图。
附图中，各标号所代表的元件名称如下：
1、高频开关管，2、LC谐振腔，3、五绕组变压器，4、正极性混频开关管，5、负极性混频开关管，6、滤波电容及负载，7、控制电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明实施例提供的一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路,如图1所示，数字功率放大器电路主要包括高频开关管1、LC谐振腔2、五绕组变压器3、正极性混频开关管4、负极性混频开关管5、滤波电容及负载6和控制电路7。
其中，高频开关管1的输入端接入电源，高频开关管1的输出端通过LC谐振腔2与五绕组变压器3的原边绕组电连接，五绕组变压器3的副边绕组分别与正极性混频开关管4的输入端和负极性混频开关管5的输入端电连接，正极性混频开关管4的输出端和负极性混频开关管5的输出端均与滤波电容及负载6电连接，控制电路7分别与高频开关管1、正极性混频开关管4和负极性混频开关管5电连接。
数字功率放大器的工作原理为：高频开关管1交替导通从直流电源取电，使得LC谐振腔2谐振，使五绕组变压器3的原边线圈流入一个高频交流电流，分别经过正极性混频开关管4和负极性混频开关管5整流之后，经过滤波电容及负载6分别产生正极性和负极性的直流电压。通过控制电路7交替控制正极性混频开关管4和负极性混频开关管5工作，在滤波电容及负载6两端产生双极性方波，由于电路输出电平的极性由控制电路决定，且其频率也可由控制电路7控制，故当控制电路7给出一个属于极低频范围的低频驱动信号来控制电路时，输出为极低频双极性方波。
在一种可能的实施例方式中，高频开关管1包括第一开关器件S1和第二开关器件S2，第一开关器件S1的第一端接入电源，第一开关器件S1的第二端分别与第二开关器件S2和LC谐振腔2电连接，第一开关器件S1的控制端与控制电路7电连接。第二开关器件S2的第二端分别与电源负极和五绕组变压器3的原边绕组电连接，第二开关器件S2的控制端与控制电路7电连接。
可以理解的是，控制电路7产生第一驱动信号，用来控制第一开关器件S1的通断，以及控制电路7产生第二驱动信号，用来控制第二开关器件S2的通断。其中，控制电路7产生的第一驱动信号和第二驱动信号之间互补且存在死区，并且第一驱动信号的上升沿与下降沿（其中，由于第一驱动信号和第二驱动信号之间互补，故第一驱动信号的上升沿大致为第二驱动信号的下降沿，第一驱动信号的下降沿大致为第二驱动信号的上升沿）所在的时刻处于LC谐振腔2的不同电流过零点时刻，第一开关器件和第二开关器件开通时开关器件两端电压皆为0，从而实现第一开关器件S1和第二开关器件S2的软开关。
在一种可能的实施例方式中，LC谐振腔2包括谐振电容Cr和谐振电感Lr，谐振电感Lr的第一端与第一开关器件S1的第二端电连接，谐振电感Lr通过谐振电容Cr与五绕组变压器3的原边绕组电连接。
其中，五绕组变压器3包括原边绕组Np、励磁电感Lm、第一副边绕组Ns1、第二副边绕组Ns2、第三副边绕组Ns3和第四副边绕组Ns4。原边绕组Np的同名端与谐振电容Cr电连接，原边绕组Np的异名端连接电源，励磁电感Lm的第一端与所述原边绕组Np的同名端相连，励磁电感Lm的第二端与所述原边绕组Np的异名端相连，第一副边绕组Ns1的同名端与正极性混频开关管4电连接，第一副边绕组Ns1的异名端分别与第二副边绕组Ns2的同名端以及滤波电容及负载6电连接，第二副边绕组Ns2的异名端与所述正极性混频开关管5电连。第三副边绕组Ns3的同名端与负极性混频开关管5电连接，第三副边绕组Ns3的异名端分别与第四副边绕组Ns4的同名端以及滤波电容及负载6电连接，第四副边绕组Ns4的异名端与负极性混频开关管5电连接。
同样的，正极性混频开关管4包括第三开关器件S3和第四开关器件S4，负极性混频开关管5包括第五开关器件S5和第六开关器件S6。
第三开关器件S3的第一端与第一副边绕组Ns1的同名端电连接，第三开关器件S3的第二端分别与第四开关器件N4的第二端和滤波电容及负载电连接，第三开关器件S3的控制端与控制电路7电连接。
第四开关器件S4的第一端与第二副边绕组Ns2的同名端电连接，第四开关器件S4的第二端分别与第三开关器件S3的第二端和滤波电容及负载6电连接。
第五开关器件S5的第一端与第三副边绕组Ns3的同名端电连接，第五开关器件S5的第二端分别与第六开关器件N6的第二端和滤波电容及负载6电连接，第五开关器件S5的控制端与控制电路7电连接。
第六开关器件S6的第一端与第四副边绕组Ns4的同名端电连接，第六开关器件S6的第二端分别与第五开关器件S5的第二端和滤波电容及负载6电连接。
其中，需要说明的是，第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6的通断均由控制电路7控制，用于驱动第三开关器件S3通断的第三驱动信号与用于驱动第四开关器件S4通断的第四驱动信号之间互补且存在死区；用于驱动第五开关器件S5的第五驱动信号与用于驱动第六开关器件S6的第六驱动信号之间互补且存在死区。并且在同一时间，只能驱动正极性混频开关管4（由第三开关器件S3和第四开关器件S4组成）和负极性混频开关管5（由第五开关器件S5和第六开关器件S6组成）中的一组开关管导通，另一组开关管关断。同时，在一组开关管中，比如，第三开关器件S3和第四开关器件S4所在的正极性混频开关管4导通正常工作时，在同一时刻，只有其中的第三开关器件S3或者第四开关器件S4一个开关器件导通工作，另一个开关器件断开，也就是说，在一个时刻，第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6，其中，只能一个导通工作，另外的三个开关器件均关断。
其中，当第三开关器件S3和第四开关器件S4交替导通时，第五开关器件S5和第六开关器件S6均处于关断状态，此时电路输出为正极性直流电平；当第五开关器件S5和第六开关器件S6交替导通时，第三开关器件S3和第四开关器件S4均处于关断状态，此时电路输出为负极性直流电平；通过控制电路7控制四个开关管交替开关可输出任意频率的双极性方波。
在一种可能的实施例方式中，滤波电容及负载6包括滤波电容Cout和负载电阻Rout，滤波电容Cout与负载电阻Rout并联，滤波电容Cout的第一端与第三开关器件S3的第二端电连接，还与第三副边绕组Ns3和第四副边绕组Ns4的共同端电连接，滤波电容Cout的第二端与第一副边绕组Ns1和第二副边绕组Ns2的公共端电连接，还与第六开关器件S6的第二端电连接。滤波电容及负载6对电路输出的信号进行滤波，且在负载两端产生极性交替变化的方波信号，也就是双极性方波信号。
在一种可能的实时方式中，控制电路7包括高频脉冲信号发生器P1、低频脉冲信号发生器P2、第一死区发生器B1、第二死区发生器B2、第一与门N1、第二与门N2、第三与门N3和第四与门N4。
其中，高频脉冲信号发生器P1的第一输出端通过第一死区发生器B1的第一输出端与第一开关器件S1的控制端电连接，还分别与第一与门N1和第三与门N3的第一输入端电连接；高频脉冲信号发生器P1的第二输出端通过第一死区发生器B1的第二输出端与第二开关器件S2的控制端电连接，还分别与第二与门N2和第四与门N4的第一输入端电连接。低频脉冲信号发生器P2的第一输出端通过第二死区发生器B2的第一输出端分别与第一与门N1的第二输入端和第二与门N2的第二输入端电连接，低频脉冲信号发生器P2的第二输出端通过第二死区发生器B2的第二输出端分别与第三与门N3的第二输入端和第四与门N4的第二输入端电连接。第一与门N1的输出端与第三开关器件S3的控制端电连接，第二与门N2的输出端与第四开关器件S4的控制端电连接，第三与门N3的输出端与第五开关器件S5的控制端电连接，第四与门N4的输出端与第六开关器件S6的控制端电连接。
其中，控制电路7控制高频开关管1以及正极性混频开关管4和负极性混频开关管5的工作原理为：高频脉冲信号发生器P1产生的互补PWM信号（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制信号）经过第一死区发生器B1之后生成一路带死区的高频互补PWM波，将其输出给高频开关管1（由第一开关器件S1和第二开关器件S2组成）使其互补开关，实现第一开关器件S1和第二开关器件S2的交替导通。
低频脉冲信号发生器P2产生的低频互补PWM信号经过第二死区发生器B2之后生成一路带死区的低频互补PWM波，通过四个与门与高频PWM信号耦合生成四路混频驱动信号分别输出给五绕组变压器5的副边四个开关器件（第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6），使四个开关器件混频互补开关。
在高频尺度来看，第三开关器件S3与第四开关器件S4、第五开关器件S5与第六开关器件S6分别互补，且开关时刻与第一开关器件S1和第二开关管器件相同。在低频尺度来看，第三开关器件S3和第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6每次只有一组互补开关，另一组处于关断状态。
其中，本发明实施例中的六个开关器件（包括第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6）均由Mos管、二极管和寄生电容组成。
参见图2，为任一个开关管的电路结构图，比如，第i个开关器件Si包括Mosi、二极管Di和寄生电容Cossi，i为1-6，表示开关器件的编号。二极管Di的阴极与对应的MOS管的漏极电连接，二极管Di的阳极与Mos管的源极电连接，寄生电容Cossi连接于二极管Di的阴极与阳极之间，Mos管的漏极作为第一端，源极作为第二端，栅极作为控制端。
下面结合图3与图5，在高频尺度下对数字功率放大器处于正极性时的工作原理进行说明（电路处于负极性时的工作原理请参照图4）。
图5为高频尺度下各个不同阶段（包括t0-t6时刻）电路工作的波形图，其中，Vg1为输入第一开关器件S1中的Mos管栅极的驱动信号，Vg2为输入第二开关器件S2中的Mos管栅极的驱动信号，iLr为流过谐振电感Lr的电流;iLm流过励磁电感Lm的电流，Vds3为第三开关器件S3的漏极和源极之间的电压，Vds4为第四开关器件S4的漏极和源极之间的电压，ids3为流过第三开关器件S3的电流，ids4为流过第四开关器件S4的电流。
阶段1（t0-t1时刻），参考图3(1)，为此阶段的电路结构图，t0时刻，S2关断，电路进入阶段1状态，这时流过谐振电感Lr的电流为负，因此S1的二极管D1导通，为S1的ZVS （零电压开关）导通创造了条件，此阶段能量回馈至输入Vdc。当S1的二极管D1导通时， i Lr 开始增加，五绕组变压器3的原边绕组的极性为上正下负，S3导通，五绕组变压器3开始在次级输出电压。励磁电感Lm上的电压为nVout（n为变压器的原副边变比），被输出电压钳位，因此，只有谐振电感Lr和谐振电容Cr参与谐振，励磁电感Lm在此过程中恒压充电。t1时刻，谐振电流i Lr 上升至0，阶段1工作状态结束。
阶段2（t1-t2），参考图3（2），为该阶段的电路结构图，当谐振电感电流 i Lr 由负变正时，进入工作阶段2。此时，S1导通，S3导通，五绕组变压器3的原边绕组电压被钳位在nVout，励磁电感Lm在此电压下线性充电，不参与谐振。此阶段，整个电路类似于一个带有谐振电感Lr和谐振电容Cr的串联谐振电路，能量由输入Vdc传递到Vout。t2时刻，谐振电感Lr的电流与励磁电感Lm电流相等，阶段2工作状态结束，此时流过开关器件S3的电流为0。
阶段3（t2-t3），参考图3（3），为此阶段的电路结构图，t2时刻，S1、S2关断，进入死区时间。谐振电流给S1的寄生电容Coss1充电，同时为S2的寄生电容Coss2放电。此时励磁电感Lm中的电流大于谐振电感Lr中的电流，两者差值流过五绕组变压器3的原边绕组，开关管S3开始导通，t3时刻，Coss2放电结束，S2的二极管D2导通，此时阶段三工作状态结束。
阶段4（t3-t4），参考图3（4），为此阶段的电路结构图，t3时刻，S1仍然关断，S2的二极管D2导通，为S2的ZVS导通创造了条件。此时S4导通，五绕组变压器3的原边绕组电压被钳位在-nVout，上负下正。励磁电感Lm在此电压下线性充电，不参与谐振，只有谐振电感Lr和谐振电容Cr参与谐振，谐振电流流经励磁电感Lm和五绕组变压器3的原边绕组及S2的二极管D2，能量传递至输出Vout。t4时刻，谐振电流 i Lr 下降至0，阶段4工作状态结束。
阶段5（t4-t5），参考图3（5），为此阶段的电路结构图，t4时刻，S1关断，S2导通。此时S4导通，五绕组变压器3的原边绕组电压被钳位在-nVout，上负下正。励磁电感Lm在此电压下线性充电，不参与谐振。只有谐振电感Lr和谐振电容Cr参与谐振，谐振电流流经励磁电感Lm和五绕组变压器的原边绕组，能量传递至输出Vout。t5时刻，谐振电感Lr的电流与励磁电感Lm电流相同，阶段5工作状态结束，此时流经S4的电流变为0。
阶段6（t5-t6），参考图3（6），为此阶段的电路结构图，t5时刻，S1、S2关断，进入死区时间。谐振电流给S2的寄生电容Coss2充电，同时为S1的寄生电容C oss1 放电。由于此时谐振电感Lr中的电流大于励磁电感Lm中的电流，两者差值流过五绕组电压器3的原边绕组，S3开始导通。t6时刻，S1开始导通，电路进入下一周期。
电路工作在负极性状态时，S3、S4关断，S5、S6交替导通，五绕组变压器3的原边绕组工作状态不变，Vout极性为负，具体可参照图4（1）~4（6），再此不再赘述。
下面结合图6，在低频尺度下对数字功率放大器电路的工作原理进行说明。
图6为高频尺度下各个不同阶段（包括T0-T2时刻）电路工作的波形图，其中，LCS1为第二死区发生器B2输出的第一路低频脉冲信号，LCS2为第二死区发生器B2输出的第二路低频脉冲信号，CS3为输入第三开关器件S3中的Mos管栅极的驱动信号，CS4为输入第四开关器件S4中的Mos管栅极的驱动信号，CS5为输入第五开关器件S5中的Mos管栅极的驱动信号，CS6为输入第四开关器件S6中的Mos管栅极的驱动信号，Vout为负载端输出的电压波形。
正极性阶段（T0-T1）：低频脉冲信号发生器P2输入第一与门N1和第二与门N2的信号为高电平，输入第三与门N3与第四与门N4的信号为低电平，第一与门N1与第二与门N2输出一对带死区的互补PWM波，第三与门N3与第四与门N4输出低电平，故第三开关器件N3与第四开关器件N4互补开关，第五开关器件S5与第六开关器件S6关断，电路工作在正极性状态，电路输出电平为正，接下来低频脉冲信号发生器P1产生的信号翻转，电路进入负极性阶段。
负极性阶段（T1-T2）:低频脉冲信号发生器P2输入第一与门N1和第二与门N2的信号为低电平，输入第三与门N3与第四与门N4的信号为高电平，第一与门N1与第二与门N2输出低电平，第三与门N3与第四与门N4输出一对带死区的互补PWM波，故第三开关器件S3与第四开关器件S4关断，第五开关器件S5与第六开关器件S6互补开关，电路工作在负极性状态，电路输出电平为负，接下来低频脉冲信号发生器P2产生的信号翻转，电路进入正极性阶段，如此反复，即可产生一个双极性极低频方波。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种产生低频双极性方波的数字功率放大器电路，其特征在于，包括高频开关管、LC谐振腔、五绕组变压器、正极性混频开关管、负极性混频开关管、滤波电容及负载和控制电路，所述高频开关管的输入端接入电源，所述高频开关管的输出端通过所述LC谐振腔与所述五绕组变压器的原边绕组电连接，所述五绕组变压器的副边绕组分别与所述正极性混频开关管的输入端和所述负极性混频开关管的输入端电连接，所述正极性混频开关管的输出端和所述负极性混频开关管的输出端均与所述滤波电容及负载电连接，所述控制电路分别与所述高频开关管、所述正极性混频开关管和所述负极性混频开关管电连接；
所述高频开关管交替导通从直流电源取电，使得LC谐振腔谐振，使所述五绕组变压器的原边线圈流入一个高频交流电流，分别经过所述正极性混频开关管和所述负极性混频开关管整流之后，经过所述滤波电容及负载分别产生正极性和负极性的直流电压；
通过所述控制电路交替控制所述正极性混频开关管和所述负极性混频开关管工作，在所述滤波电容及负载两端产生极低频的双极性方波；
其中，高频开关管包括第一开关器件S1和第二开关器件S2，第一开关器件S1的第一端接入电源，第一开关器件S1的第二端分别与第二开关器件S2和LC谐振腔电连接，第一开关器件S1的控制端与控制电路电连接；第二开关器件S2的第二端分别与电源负极和五绕组变压器的原边绕组电连接，第二开关器件S2的控制端与控制电路电连接；
控制电路产生第一驱动信号，用来控制第一开关器件S1的通断，以及控制电路产生第二驱动信号，用来控制第二开关器件S2的通断；其中，控制电路产生的第一驱动信号和第二驱动信号之间互补且存在死区，并且第一驱动信号的上升沿与下降沿所在的时刻处于LC谐振腔的不同电流过零点时刻，第一开关器件S1和第二开关器件S2开通时，第一开关器件S1和第二开关器件S2两端电压皆为0，从而实现第一开关器件S1和第二开关器件S2的软开关。
2.根据权利要求1所述的数字功率放大器电路，其特征在于，所述LC谐振腔包括谐振电容Cr和谐振电感Lr，所述谐振电感Lr的第一端与所述第一开关器件S1的第二端电连接，所述谐振电感Lr通过所述谐振电容Cr与所述五绕组变压器的原边绕组电连接。
3.根据权利要求2所述的数字功率放大器电路，其特征在于，所述五绕组变压器包括原边绕组Np，励磁电感Lm、第一副边绕组Ns1、第二副边绕组Ns2、第三副边绕组Ns3和第四副边绕组Ns4；
所述原边绕组Np的同名端与所述谐振电容Cr电连接，所述原边绕组Np的异名端连接电源，所述励磁电感Lm的第一端与所述原边绕组Np的同名端相连，所述励磁电感Lm的第二端与所述原边绕组Np的异名端相连，所述第一副边绕组Ns1的同名端与所述正极性混频开关管电连接，所述第一副边绕组Ns1的异名端分别与所述第二副边绕组Ns2的同名端以及所述滤波电容及负载电连接，所述第二副边绕组Ns2的异名端与所述正极性混频开关管电连；
所述第三副边绕组Ns3的同名端与所述负极性混频开关管电连接，所述第三副边绕组Ns3的异名端分别与所述第四副边绕组Ns4的同名端以及所述滤波电容及负载电连接，所述第四副边绕组Ns4的异名端与所述负极性混频开关管电连接。
4.根据权利要求3所述的数字功率放大器电路，其特征在于，所述正极性混频开关管包括第三开关器件S3和第四开关器件S4，所述负极性混频开关管包括第五开关器件S5和第六开关器件S6；
所述第三开关器件S3的第一端与所述第一副边绕组Ns1的同名端电连接，所述第三开关器件S3的第二端分别与所述第四开关器件N4的第二端和所述滤波电容及负载电连接，所述第三开关器件S3的控制端与所述控制电路电连接；
所述第四开关器件S4的第一端与所述第二副边绕组Ns2的同名端电连接，所述第四开关器件S4的第二端分别与所述第三开关器件S3的第二端和所述滤波电容及负载电连接；
所述第五开关器件S5的第一端与所述第三副边绕组Ns3的同名端电连接，所述第五开关器件S5的第二端分别与所述第六开关器件N6的第二端和所述滤波电容及负载电连接，所述第五开关器件S5的控制端与所述控制电路电连接；
所述第六开关器件S6的第一端与所述第四副边绕组Ns4的同名端电连接，所述第六开关器件S6的第二端分别与所述第五开关器件S5的第二端和所述滤波电容及负载电连接。
5.根据权利要求4所述的数字功率放大器电路，其特征在于，所述滤波电容及负载包括滤波电容Cout和负载电阻Rout，所述滤波电容Cout与所述负载电阻Rout并联，所述滤波电容Cout的第一端与所述第三开关器件S3的第二端电连接，还与所述第三副边绕组Ns3和第四副边绕组Ns4的共同端电连接，所述滤波电容Cout的第二端与所述第一副边绕组Ns1和第二副边绕组Ns2的公共端电连接，还与所述第六开关器件的第二端电连接。
6.根据权利要求5所述的数字功率放大器电路，其特征在于，所述控制电路包括高频脉冲信号发生器P1、低频脉冲信号发生器P2、第一死区发生器B1、第二死区发生器B2、第一与门N1、第二与门N2、第三与门N3和第四与门N4；
其中，所述高频脉冲信号发生器P1的第一输出端通过第一死区发生器B1的第一输出端与所述第一开关器件S1的控制端电连接，还分别与第一与门N1和第三与门N3的第一输入端电连接，所述高频脉冲信号发生器P1的第二输出端通过第一死区发生器的第二输出端与所述第二开关器件S2的控制端电连接，还分别与第二与门N2和第四与门N4的第一输入端电连接；
所述低频脉冲信号发生器P2的第一输出端通过第二死区发生器B2的第一输出端分别与所述第一与门N1的第二输入端和第二与门N2的第二输入端电连接，所述低频脉冲信号发生器P2的第二输出端通过第二死区发生器B2的第二输出端分别与第三与门N3的第二输入端和第四与门N4的第二输入端电连接；
所述第一与门N1的输出端与所述第三开关器件S3的控制端电连接，所述第二与门N2的输出端与所述第四开关器件S4的控制端电连接，所述第三与门N3的输出端与所述第五开关器件S5的控制端电连接，所述第四与门N4的输出端与所述第六开关器件S6的控制端电连接。
7.根据权利要求1所述的数字功率放大器电路，其特征在于，所述第一开关器件S1和所述第二开关器件S2均包括Mos管、二极管和寄生电容；
所述二极管的阴极与所述Mos管的漏极电连接，所述二极管的阳极与所述Mos管的源极电连接，所述寄生电容连接与所述二极管的阴极与阳极之间，所述Mos管的漏极作为第一端，源极作为第二端，栅极作为控制端。
8.根据权利要求4所述的数字功率放大器电路，其特征在于，所述所述第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6均包括Mos管、二极管和寄生电容；
所述二极管的阴极与所述Mos管的漏极电连接，所述二极管的阳极与所述Mos管的源极电连接，所述寄生电容连接与所述二极管的阴极与阳极之间，所述Mos管的漏极作为第一端，源极作为第二端，栅极作为控制端。
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