CN112994632A - 一种与负载变化无关的e类电路设计方法 - Google Patents

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    • H03F1/02—Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation

Abstract

本发明提供了一种与负载变化无关的E类电路设计方法，所述E类电路的输入为直流电压源VI；电容C1与开关器件S并联；电容C，电感L，电感Lx与负载电阻R串联，且电感L和电容C在开关频率下完全谐振。其特征在于，电感L1连接在电源VI的正极，另一端与并联的电容C1和开关器件S相连，电感L1在开关频率的q倍频率下与电容C1谐振，电感Lx的值是电感L1的值的k倍。本发明提出了一种使E类电路对负载变化无关的设计方法，使电路在不同负载下实现零电压开关以保证较高的效率，并且实现恒定电压输出。本发明既保证E类电路有恒定的输出电压，又使电路保持零电压开关而有较高效率。

Description

一种与负载变化无关的E类电路设计方法
技术领域
本发明涉及一种与负载变化无关的E类电路设计方法。
背景技术
E类电路因具有较高的电路效率而受到关注。相比于桥式电路，E类电路可以运行在更高的运行频率下，因此获得更大的控制带宽，并且可以减小设备体积。传统的E类电路如图1所示，其输入为直流电压源VI；Lf为保证输入电流为直流的大电感；C1为并联在开关器件S两端的电容；电容C，电感L，电感Lx与负载电阻R串联，且电感L和电容C在开关频率下完全谐振。传统的E类电路对负载变化非常敏感，一旦负载发生变化，电路效率会大大降低，输出信号也会随之变化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：传统的E类电路由于对负载变化非常敏感，因此并不适用于负载值会发生波动的实际应用中。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种与负载变化无关的E类电路设计方法，所述E类电路的输入为直流电压源VI；电容C1与开关器件S并联；电容C、电感L、电感Lx与负载电阻R串联，且电感L和电容C在开关频率下完全谐振。其特征在于，电感L1连接在电源VI的正极，另一端与并联的电容C1和开关器件S相连，电感L1在开关频率的q倍频率下与电容C1谐振，电感Lx的值是电感L1的值的k倍；
在占空比D确定的前提下，设计q值和k值，以获得相应的电感L1及电感Lx，找出使所述E类电路同时实现与负载变化无关的输出电压以及与负载变化无关的零电压开关的q值和k值；电感L和电容C要在开关频率下完全谐振，q值和k值的设计增加了电路的自由度。
优选地，在占空比D确定的前提下：在[1,3]范围内按照0.05为步长使得q值发生变化，实现对q值的设计；在[0,kmax]范围内实现对k值的设计，不同占空比D对应不同的kmax，kmax为预先设定的k值的最大值。
优选地，q值由下式(1)表示：
Figure BDA0002938880150000021
式(1)中，ω为角频率；
k值由下式(2)表示：
Figure BDA0002938880150000022
合理设计电路参数，可以使电路同时实现与负载无关的恒定电压输出，及与负载无关的零电压开关，进而保证电路的高效率。
本发明提出了一种使E类电路对负载变化无关的设计方法，既保证在变化的负载下E类电路有恒定的输出电压，又使电路保持零电压开关而有较高效率。
附图说明
图1为传统的E类电路的电路原理图；
图2为本发明提供的一种E类电路的电路原理图；
图3(a)至图3(c)为实施例一的仿真结果，其中，图3(a)为输出电压波形图，图3(b)为开关两端电压波形图，图3(c)为电路效率；
图4(a)至图4(c)为实施例二的仿真结果，其中，图4(a)为输出电压波形图，图4(b)为开关两端电压波形图，图4(c)为电路效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图2所示，相比于传统E类电路，本发明把大电感Lf替换为在开关频率的q倍频率下与并联电容C1谐振的L1，电路其他部分与基本E类保持一致。本发明可以使电路在不同负载下实现零电压开关以保证较高的效率，并且实现恒定电压输出。
首先给出如下假设：
Figure BDA0002938880150000023
Figure BDA0002938880150000031
式(1)及式(2)中，q为电感L1和电容C1的谐振频率相对于开关频率的比；ω为角频率；k为电感Lx与电感L1的比值。
合理设计电路参数，可以使电路同时实现与负载无关的恒定电压输出，及与负载无关的零电压开关，进而保证电路的高效率。
找出使所述E类电路同时实现与负载变化无关的输出电压以及与负载变化无关的零电压开关的q和k。其中，选取范围为q∈[1,3]，步长为0.05；k∈[0,kmax]，q和kmax的取值列出在表1至表14中。
表1至表14列举了不同占空比下使所述E类电路同时实现与负载变化无关的输出电压以及与负载变化无关的零电压开关的q和k的取值。
表1D＝0.15
q 1.05
k<sub>max</sub> 4.35
表2D＝0.2
q 1.05 1.1
k<sub>max</sub> 4.35 4.5
表3D＝0.25
q 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25
k<sub>max</sub> 4.3 3 2.3 1.7 0.75
表4D＝0.3
q 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35
k<sub>max</sub> 2.76 2.5 3 2.45 2.25 1.85
表5D＝0.35
q 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45
k<sub>max</sub> 2.7 2.16 1.92 1.56 1.32 1.2 3 3
表6D＝0.4
Figure BDA0002938880150000032
Figure BDA0002938880150000041
表7D＝0.45
q 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55
k<sub>max</sub> 1.65 1.2 1.46 1.52 1.26 1.22 1.14 1.08
q 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8
k<sub>max</sub> 1.02 0.96 0.84 0.78 0.6
表8D＝0.5
q 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6
k<sub>max</sub> 1.64 2.12 2 2 1.8 1.8 1.76 1.44
q 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2
k<sub>max</sub> 1.44 1.32 1.32 1.2 1.2 1.08 0.9 0.68
q 2.05 2.1
k<sub>max</sub> 0.68 0.62
表9D＝0.55
q 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75
k<sub>max</sub> 1.89 1.71 1.62 1.53 1.44 1.44 1.17 1.08
q 1.8 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15
k<sub>max</sub> 1.08 1.08 0.99 0.9 0.81 0.66 0.6 0.5
q 2.2 2.25 2.3 2.35
k<sub>max</sub> 0.5 0.5 0.49 0.45
表10D＝0.6
Figure BDA0002938880150000042
Figure BDA0002938880150000051
表11D＝0.65
q 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 2
k<sub>max</sub> 1.33 1.47 1.37 1.28 1.24 1.19 1.16 1.08
q 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3 2.35 2.4
k<sub>max</sub> 1.07 1.06 0.95 0.95 0.95 0.95 0.83 0.78
q 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8
k<sub>max</sub> 0.78 0.78 0.78 0.73 0.59 0.55 0.55 0.55
q 2.85 2.9 2.95 3
k<sub>max</sub> 0.55 0.55 0.55 0.45
表12D＝0.7
q 1.85 1.9 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2
k<sub>max</sub> 0.27 0.4 0.44 0.455 0.455 0.425 0.35 0.35
q 2.25 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6
k<sub>max</sub> 0.335 0.32 0.275 0.245 0.215 0.23 0.245 0.2
q 2.65 2.7
k<sub>max</sub> 0.13 0.13
表13D＝0.75
q 1.95 2 2.05 2.1 2.15 2.2 2.25 2.3
k<sub>max</sub> 0.075 0.09 0.135 0.175 0.255 0.42 0.56 0.63
q 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7
k<sub>max</sub> 0.75 0.48 0.51 0.54 0.54 0.54 0.48 0.45
q 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 3
k<sub>max</sub> 0.45 0.45 0.45 0.45 0.39 0.36
表14D＝0.8
Figure BDA0002938880150000052
Figure BDA0002938880150000061
实施例一：
电路参数如下表所示：
D 0.4 V<sub>I</sub> 100V
f 10MHz L<sub>1</sub> 0.34uH
q 1.15 L 20uH
k 1.2885 C<sub>1</sub> 563.33pF
L<sub>x</sub> 0.4381uH C 12.67pF
仿真结果如图3(a)至图3(c)所示。
实施例二：
电路参数如下表所示：
D 0.5 V<sub>I</sub> 100V
f 10MHz L<sub>1</sub> 0.884uH
q 1.3 L 20uH
k 0.25 C<sub>1</sub> 169.55pF
L<sub>x</sub> 0.221uH C 12.67pF
仿真结果如图4(a)至图4(c)所示。
上述实施例展示了在占空比为0.4及0.5两种情况下的电路仿真图。考虑较宽的负载变化范围，利用给出的电路参数可以较好地实现恒定电压输出，以及零电压开关，并且实现96％以上的效率。

Claims (3)

1.一种与负载变化无关的E类电路设计方法，所述E类电路的输入为直流电压源VI；电容C1与开关器件S并联；电容C、电感L、电感Lx与负载电阻R串联，且电感L和电容C在开关频率下完全谐振。其特征在于，电感L1连接在电源VI的正极，另一端与并联的电容C1和开关器件S相连，电感L1在开关频率的q倍频率下与电容C1谐振，电感Lx的值是电感L1的值的k倍；
在占空比D确定的前提下，设计q值和k值，以获得相应的电感L1及电感Lx，找出使所述E类电路同时实现与负载变化无关的输出电压以及与负载变化无关的零电压开关的q值和k值；电感L和电容C要在开关频率下完全谐振，q值和k值的设计增加了电路的自由度。
2.如权利要求1所述的一种与负载变化无关的E类电路设计方法，其特征在于，在占空比D确定的前提下：在[1,3]范围内按照0.05为步长使得q值发生变化，实现对q值的设计；在[0,kmax]范围内实现对k值的设计，不同占空比D对应不同的kmax，kmax为预先设定的k值的最大值。
3.如权利要求1所述的一种与负载变化无关的E类电路设计方法，其特征在于，q值由下式(1)表示：
Figure FDA0002938880140000011
式(1)中，ω为角频率；
k值由下式(2)表示：
Figure FDA0002938880140000012
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