CN113691225A - 一种具备在线阻抗监测的功率放大器及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备在线阻抗监测的功率放大器及其调整方法，功率放大器包括功率放大单元和在线阻抗监测单元，功率放大单元包括依次连接的功放控制器、驱动电路、功率放大模块，功放控制器连接输入信源，功率放大模块连接负载，在线阻抗监测单元包括信息处理模块、幅值检测电路、相位预处理电路、电压电流采集电路，电压电流采集电路的输入端连接功率放大单元的输出电路，输出端连接幅值检测电路和相位预处理电路，幅值检测电路和相位预处理电路连接信息处理模块，信息处理模块连接功放控制器。本发明通过在线阻抗监测单元实时监测负载阻抗，对功率放大模块的增益进行调整，解决功率放大器的增益参数会引起电路不匹配的问题。

Description

一种具备在线阻抗监测的功率放大器及其调整方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种具备在线阻抗监测的功率放大器及其调整方法。

背景技术

目前功率放大器往往采用离线测试后的负载阻抗数据进行阻抗匹配和驱动参数设置，而负载比如换能器在工作时其自身的温度、负载变化、环境因素等都会引起其阻抗特性的改变，若功率放大器的增益参数未随之改变，此时必然引起整个电路不匹配，可能导致负载损坏或实际驱动效果变差，因此，需要设计一种能有效解决上述问题的功率放大器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本发明提供一种具备在线阻抗监测的功率放大器及其调整方法，解决功率放大器的增益参数会引起电路不匹配的问题。

(二)技术方案

基于上述的技术问题，本发明提供一种具备在线阻抗监测的功率放大器，所述功率放大器包括功率放大单元和在线阻抗监测单元，所述功率放大单元包括依次连接的功放控制器、驱动电路、功率放大模块，所述功放控制器连接输入信源，所述功率放大模块连接负载；

所述在线阻抗监测单元包括信息处理模块、幅值检测电路、相位预处理电路、电压电流采集电路，所述电压电流采集电路的输入端连接功率放大单元的输出电路，输出端连接所述幅值检测电路和相位预处理电路，所述幅值检测电路和相位预处理电路连接信息处理模块，所述信息处理模块连接功放控制器；

所述信息处理模块包括阻抗计算模块和与所述阻抗计算模块均连接的相位检测模块、幅值采集模块，所述幅值采集模块连接所述幅值检测电路，所述相位检测模块连接所述相位预处理电路，所述阻抗计算模块连接所述功放控制器；

所述相位检测模块包括相位计算模块和与所述相位计算模块均连接的计数器一、计数器二和相位鉴别模块，所述计数器二连接相位鉴别模块，所述计数器一、计数器二、相位计算模块、幅值采集模块和阻抗计算模块均连接时钟发生器；

所述功放控制器用于根据在线阻抗监测单元输出的实时阻抗，实时调整输入信源的幅值；所述相位预处理电路用于将一路交流模拟电压信号和一路交流模拟电流信号分别转换成同周期、同相位的方波信号；所述计数器一用于检测电压领先或滞后电流的计数值，所述计数器二用于检测电压的一个周期的计数值，所述相位鉴别模块用于判断相位符号。

进一步的，所述电压电流采集电路包括电压传感器、电流传感器和传感器调理电路，所述电压传感器和电流传感器分别并联或串联设于功率放大单元的输出电路，电压传感器和电流传感器连接所述传感器调理电路，所述传感器调理电路用于将采集的电压、电流信号的变换，并滤除直流和高频噪声信号。

进一步的，所述传感器调理电路采用有源带通滤波器。

进一步的，所述功率放大单元还包括滤波模块，所述滤波模块连接功率放大模块的输出端。

进一步的，所述滤波模块采用LC梯形滤波网络。

进一步的，所述相位预处理电路包括过零比较电路。

进一步的，所述功率放大模块包括4组电路结构相同的呈H桥式连接的功率开关模块，每个功率开关模块包括一个开关管和反向并列的二极管，所述开关管与所述驱动电路相连。

本发明也公开了一种具备在线阻抗监测的功率放大器的调整方法，包括以下步骤：

S1、通过电压电流采集电路采集负载的输入电压和电流，并滤除直流和高频噪声信号，输出两路交流模拟电压信号和两路交流模拟电流信号，同时进入步骤S2和S3；

S2、将一路交流模拟电压信号和一路交流模拟电流信号输入幅值检测电路检测电压的幅值和电流的幅值，再将电压的幅值和电流的幅值采样量化和缓存在幅值采集模块，将输出的电压幅值V、电流幅值I发送到阻抗计算模块，进入步骤S4；

S3、将另一路交流模拟电压信号和另一路交流模拟电流信号输入相位预处理电路转换成同周期、同相位的方波信号，再输入相位检测模块计算出电压和电流的相位D，将电压和电流的相位D发送到阻抗计算模块，进入步骤S4；

S4、所述阻抗计算模块根据接收的电压幅值V、电流幅值I以及电压和电流的相位D，计算阻抗，即电阻R＝V/I*cos(D)，电抗X＝V/I*sin(D)；

S5、所述功放控制器接收阻抗计算模块输出的实时阻抗，实时调整输入信源的放大增益，使得负载的阻抗匹配，返回步骤S1。

进一步的，所述步骤S3包括以下步骤：

S3.1、将另一路交流模拟电压信号和另一路交流模拟电流信号输入相位预处理电路转换成同周期、同相位的方波信号，即电压方波信号Trg_V和电流方波信号Trg_I，输入相位检测模块；

S3.2、所述计数器一接收相位预处理后的一路电压方波信号Trg_V和一路电流方波信号Trg_I，并在时钟信号clk下检测输入信号的上升沿，当检测到电压方波信号Trg_V的上升沿时启动计数，当检测到电流方波信号Trg_I的上升沿时停止计数，输出计数信息N；同时，所述计数器二接收相位预处理后的一路电压方波信号Trg_V，并在时钟信号clk下检测输入信号的上升沿，当检测到第一个电压方波信号Trg_V的上升沿时启动计数，当检测到第二个电压方波信号Trg_V的上升沿时停止计数，输出计数信息N0和相位鉴别启动信号Trg_Q，同时重新开始启动计数，将相位鉴别启动信号Trg_Q发送给相位鉴别模块；时钟信号clk由所述时钟发生器发出；

S3.3、所述相位鉴别模块接收相位鉴别启动信号Trg_Q时，若接收的电流方波信号Trg_I为低电平，则电压信号领先电流信号，相位符号为正；若接收的电流方波信号Trg_I为高电平，则电压信号滞后电流信号，相位符号为负；

S3.4、所述相位计算模块根据接收的计数信息N、N0和相位符号，计算电压和电流的相位D＝(相位符号﹢/-)*(N/N0)*2π。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明在功率放大器上装备在线阻抗监测单元，通过电压传感器和电流传感器实时监测电压电流，计算得到幅值和相位，再计算得到实时阻抗，由此实现实时监测负载换能器的阻抗参数的变化，再根据阻抗参数的变化，通过功放控制器调整输入信源的幅值，从而改变驱动电路输出的PWM控制信号的占空比，改变功率放大模块的放大增益，调整阻抗，使得功率放大器和负载换能器的阻抗实现动态匹配，有利于负载的使用寿命和保证负载的实际驱动效果；

(2)本发明通过两个计数器分别检测电压领先或滞后电流的计数值，和电压一个周期的计数值，并通过相位鉴别模块判断相位符号，装置简单，但能有效根据电压和电流得到电压和电流的相位。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例的一种具备在线阻抗监测的功率放大器的结构示意图；

图2为本发明实施例的功率放大模块的结构示意图；

图3为本发明实施例的信息处理模块的结构示意图；

图4为本发明实施例的相位检测模块的工作波形示意图；

图5为本发明实施例的一种具备在线阻抗监测的功率放大器的调整方法流程图。

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。

本发明公开了一种具备在线阻抗监测的功率放大器的实施例，如图1所示，所述功率放大器包括功率放大单元和在线阻抗监测单元，所述功率放大单元包括依次连接的功放控制器、驱动电路、功率放大模块和滤波模块，所述功放控制器连接输入信源，所述功率放大模块连接负载，即换能器；所述在线阻抗监测单元连接所述功率放大单元的输出电路和功放控制器；

所述功放控制器采集、缓存输入信源信息，并接收用于根据在线阻抗监测单元输出的换能器实时阻抗，实时调整输入信源的幅值；所述驱动电路用于将放大增益调整后的输入信源进行脉宽调制产生两个电平互补的PWM控制信号，所述PWM控制信号的占空比与输入信源的幅值成正比；所述功率放大模块用于接收所述PWM控制信号，输出功率信号，所述功率放大模块采用直流电供电，本实施例中采用图2所述的功率放大模块，包括4组电路结构相同的呈H桥式连接的功率开关模块，每个功率开关模块包括一个开关管和反向并列的二极管，所述开关管为绝缘栅双极晶体管，第一开关管Q1的发射极连接第二开关管Q2的集电极和功率放大模块的正向输出端OUT+，第三开关管Q3的发射极连接第四开关管Q4的集电极和功率放大模块的负向输出端OUT-，第一开关管Q1的集电极和第三开关管Q3的集电极连接直流电源DC的正极，第二开关管Q2的发射极和第四开关管Q4的发射极连接直流电源DC的负极，四个开关管的栅极均连接经驱动电路后的PWM控制信号；所述滤波模块用于对所述功率信号进行滤波处理，生成模拟功率信号，所述滤波模块采用由LC无源低通滤波器构成的LC梯形滤波网络。

所述在线阻抗监测单元包括信息处理模块、幅值检测电路、相位预处理电路、电压电流采集电路，所述电压电流采集电路的输入端连接功率放大单元的输出电路，输出端连接所述幅值检测电路和相位预处理电路，所述幅值检测电路和相位预处理电路连接信息处理模块，所述信息处理模块连接功放控制器；

所述电压电流采集电路包括电压传感器、电流传感器和传感器调理电路，所述电压传感器和电流传感器分别并联或串联设于功率放大单元的输出电路，用于完成功率放大单元的输出的高压电压、电流信号的采集、隔离和转换，电压传感器和电流传感器连接所述传感器调理电路，所述传感器调理电路采用有源带通滤波器，用于将采集的电压、电流信号的变换，并滤除直流和高频噪声信号，输出两路交流模拟电压信号和两路交流模拟电流信号；所述相位预处理电路采用过零比较电路，用于将一路交流模拟电压信号和一路交流模拟电流信号分别转换成同周期、同相位的方波信号，即电压方波信号Trg_V和电流方波信号Trg_I；所述幅值检测电路接收一路交流模拟电压信号和一路交流模拟电流信号，完成幅值检测，输出对应的电压、电流幅值信息；所述信息处理模块用于根据在线监测的电压、电流数据计算实时相位，再与电压、电流幅值信息计算实时阻抗；

所述信息处理模块如图3所示，包括阻抗计算模块和与所述阻抗计算模块均连接的相位检测模块、幅值采集模块，所述幅值采集模块连接所述幅值检测电路，所述相位检测模块连接所述相位预处理电路，所述阻抗计算模块连接所述功放控制器；所述相位检测模块包括相位计算模块和与所述相位计算模块均连接的计数器一、计数器二和相位鉴别模块，所述计数器二连接相位鉴别模块，所述计数器一、计数器二、相位计算模块、幅值采集模块和阻抗计算模块均连接时钟发生器；

所述幅值采集模块用于完成电压、电流幅值信息的采样量化和缓存，输出电压幅值V和电流幅值I；所述计数器一接收相位预处理后的一路电压方波信号Trg_V和一路电流方波信号Trg_I，并在时钟信号clk下检测输入信号的上升沿，如图4所示，当检测到电压方波信号Trg_V的上升沿时启动计数，当检测到电流方波信号Trg_I的上升沿时停止计数，输出计数信息N；所述计数器二接收相位预处理后的一路电压方波信号Trg_V，并在时钟信号clk下检测输入信号的上升沿，如图4所示，当检测到的第一个电压方波信号Trg_V的上升沿时启动计数，当检测到第二个电压方波信号Trg_V的上升沿时停止计数，输出计数信息N0和相位鉴别启动信号Trg_Q，并同时重新启动计数，即计数器二在电压方波信号Trg_V的每个周期都重新计数；所述相位鉴别模块接收相位鉴别启动信号Trg_Q和相位预处理后的一路电流方波信号Trg_I，用于电压、电流相位领先或滞后关系的判断，从而确定相位符号，若相位鉴别启动信号Trg_Q输入时电流方波信号Trg_I为低电平，则电压信号领先电流信号，相位为正，反之，若相位鉴别启动信号Trg_Q输入时电流方波信号Trg_I为高电平，则电压信号滞后电流信号，相位为负；所述相位计算模块根据接收的计数信息N、N0和相位符号，N*clk一个脉冲周期的时间为电压信号领先或滞后电流信号的时间，N0*clk一个脉冲周期的时间为电压信号一个周期的时间，而相位预处理电路将电压信号和电流信号转换成同周期、同相位的方波信号，时钟信号clk由所述时钟发生器发出；因此，计算电压和电流的相位D＝(相位符号﹢/-)*(N/N0)*2π；所述阻抗计算模块根据接收的电压幅值V、电流幅值I以及电压和电流的相位D，计算阻抗，即电阻R＝V/I*cos(D)，电抗X＝V/I*sin(D)。

所述功率放大器进行在线阻抗监测和匹配的调整方法如图5所示，具体如下：

S1、通过电压电流采集电路采集负载换能器的输入电压和电流，并滤除直流和高频噪声信号，输出两路交流模拟电压信号和两路交流模拟电流信号，同时进入步骤S2和S3；

S2、将一路交流模拟电压信号和一路交流模拟电流信号输入幅值检测电路检测电压幅值和电流幅值，再将电压幅值和电流幅值采样量化和缓存在幅值采集模块，将输出的电压幅值V、电流幅值I发送到阻抗计算模块，进入步骤S4；

S3、将另一路交流模拟电压信号和另一路交流模拟电流信号输入相位预处理电路转换成同周期、同相位的方波信号，再输入相位检测模块计算出电压和电流的相位D，将电压和电流的相位D发送到阻抗计算模块，进入步骤S4；

S3.1、将另一路交流模拟电压信号和另一路交流模拟电流信号输入相位预处理电路转换成同周期、同相位的方波信号，即电压方波信号Trg_V和电流方波信号Trg_I，输入相位检测模块；

S3.2、所述计数器一接收相位预处理后的一路电压方波信号Trg_V和一路电流方波信号Trg_I，并在时钟信号clk下检测输入信号的上升沿，当检测到电压方波信号Trg_V的上升沿时启动计数，当检测到电流方波信号Trg_I的上升沿时停止计数，输出计数信息N；同时，所述计数器二接收相位预处理后的一路电压方波信号Trg_V，并在时钟信号clk下检测输入信号的上升沿，当检测到第一个电压方波信号Trg_V的上升沿时启动计数，当检测到第二个电压方波信号Trg_V的上升沿时停止计数，输出计数信息N0和相位鉴别启动信号Trg_Q，同时重新开始启动计数，将相位鉴别启动信号Trg_Q发送给相位鉴别模块；时钟信号clk由所述时钟发生器发出；

S3.3、所述相位鉴别模块接收相位鉴别启动信号Trg_Q时，若接收的电流方波信号Trg_I为低电平，则电压信号领先电流信号，相位符号为正；若接收的电流方波信号Trg_I为高电平，则电压信号滞后电流信号，相位符号为负；

S3.4、所述相位计算模块根据接收的计数信息N、N0和相位符号，计算电压和电流的相位D＝(相位符号﹢/-)*(N/N0)*2π；

S4、所述阻抗计算模块根据接收的电压幅值V、电流幅值I以及电压和电流的相位D，计算阻抗，即电阻R＝V/I*cos(D)，电抗X＝V/I*sin(D)；

S5、所述功放控制器接收阻抗计算模块输出的实时阻抗，实时调整输入信源的幅值，使得负载的阻抗匹配，返回步骤S1。

PWM控制信号的占空比与输入信源的幅值成正比，因此，调整输入信源的幅度，所述调整输入信源的幅值，则驱动电路脉宽调制产生的两个电平互补的PWM控制信号的占空比得到调整，控制功率放大模块的放大增益或升压比改变，负载阻抗得到调整。

因此，本发明所述功率放大器通过在线阻抗监测单元，可以实时监测负载换能器的阻抗参数的变化，从而自动调整功率放大单元的工作参数，实现功率放大器和负载换能器的动态匹配。

综上可知，通过上述的一种具备在线阻抗监测的功率放大器及其调整方法，具有以下有益效果：

(1)本发明在功率放大器上装备在线阻抗监测单元，通过电压传感器和电流传感器实时监测电压电流，计算得到幅值和相位，再计算得到实时阻抗，由此实现实时监测负载换能器的阻抗参数的变化，再根据阻抗参数的变化，通过功放控制器调整输入信源的幅值，从而改变驱动电路输出的PWM控制信号的占空比，改变功率放大模块的放大增益，调整阻抗，使得功率放大器和负载换能器的阻抗实现动态匹配，有利于负载的使用寿命和保证负载的实际驱动效果；

(2)本发明通过两个计数器分别检测电压领先或滞后电流的计数值，和电压一个周期的计数值，并通过相位鉴别模块判断相位符号，装置简单，但能有效根据电压和电流得到电压和电流的相位。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种具备在线阻抗监测的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器包括功率放大单元和在线阻抗监测单元，所述功率放大单元包括依次连接的功放控制器、驱动电路、功率放大模块，所述功放控制器连接输入信源，所述功率放大模块连接负载；

所述在线阻抗监测单元包括信息处理模块、幅值检测电路、相位预处理电路、电压电流采集电路，所述电压电流采集电路的输入端连接功率放大单元的输出电路，输出端连接所述幅值检测电路和相位预处理电路，所述幅值检测电路和相位预处理电路连接信息处理模块，所述信息处理模块连接功放控制器；

所述信息处理模块包括阻抗计算模块和与所述阻抗计算模块均连接的相位检测模块、幅值采集模块，所述幅值采集模块连接所述幅值检测电路，所述相位检测模块连接所述相位预处理电路，所述阻抗计算模块连接所述功放控制器；

所述相位检测模块包括相位计算模块和与所述相位计算模块均连接的计数器一、计数器二和相位鉴别模块，所述计数器二连接相位鉴别模块，所述计数器一、计数器二、相位计算模块、幅值采集模块和阻抗计算模块均连接时钟发生器；

所述功放控制器用于根据在线阻抗监测单元输出的实时阻抗，实时调整输入信源的幅值；所述相位预处理电路用于将一路交流模拟电压信号和一路交流模拟电流信号分别转换成同周期、同相位的方波信号；所述计数器一用于检测电压领先或滞后电流的计数值，所述计数器二用于检测电压的一个周期的计数值，所述相位鉴别模块用于判断相位符号。

2.根据权利要求1所述的具备在线阻抗监测的功率放大器，其特征在于，所述电压电流采集电路包括电压传感器、电流传感器和传感器调理电路，所述电压传感器和电流传感器分别并联或串联设于功率放大单元的输出电路，电压传感器和电流传感器连接所述传感器调理电路，所述传感器调理电路用于将采集的电压、电流信号的变换，并滤除直流和高频噪声信号。

3.根据权利要求2所述的具备在线阻抗监测的功率放大器，其特征在于，所述传感器调理电路采用有源带通滤波器。

4.根据权利要求1所述的具备在线阻抗监测的功率放大器，其特征在于，所述功率放大单元还包括滤波模块，所述滤波模块连接功率放大模块的输出端。

5.根据权利要求4所述的具备在线阻抗监测的功率放大器，其特征在于，所述滤波模块采用LC梯形滤波网络。

6.根据权利要求1所述的具备在线阻抗监测的功率放大器，其特征在于，所述相位预处理电路包括过零比较电路。

7.根据权利要求1所述的具备在线阻抗监测的功率放大器，其特征在于，所述功率放大模块包括4组电路结构相同的呈H桥式连接的功率开关模块，每个功率开关模块包括一个开关管和反向并列的二极管，所述开关管与所述驱动电路相连。

8.一种根据权利要求1所述的具备在线阻抗监测的功率放大器的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过电压电流采集电路采集负载的输入电压和电流，并滤除直流和高频噪声信号，输出两路交流模拟电压信号和两路交流模拟电流信号，同时进入步骤S2和S3；

S2、将一路交流模拟电压信号和一路交流模拟电流信号输入幅值检测电路检测电压的幅值和电流的幅值，再将电压的幅值和电流的幅值采样量化和缓存在幅值采集模块，将输出的电压幅值V、电流幅值I发送到阻抗计算模块，进入步骤S4；

S3、将另一路交流模拟电压信号和另一路交流模拟电流信号输入相位预处理电路转换成同周期、同相位的方波信号，再输入相位检测模块计算出电压和电流的相位D，将电压和电流的相位D发送到阻抗计算模块，进入步骤S4；

S4、所述阻抗计算模块根据接收的电压幅值V、电流幅值I以及电压和电流的相位D，计算阻抗，即电阻R＝V/I*cos(D)，电抗X＝V/I*sin(D)；

S5、所述功放控制器接收阻抗计算模块输出的实时阻抗，实时调整输入信源的幅值，使得负载的阻抗匹配，返回步骤S1。

9.根据权利要求8所述的具备在线阻抗监测的功率放大器的调整方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S3.1、将另一路交流模拟电压信号和另一路交流模拟电流信号输入相位预处理电路转换成同周期、同相位的方波信号，即电压方波信号Trg_V和电流方波信号Trg_I，输入相位检测模块；

S3.2、所述计数器一接收相位预处理后的一路电压方波信号Trg_V和一路电流方波信号Trg_I，并在时钟信号clk下检测输入信号的上升沿，当检测到电压方波信号Trg_V的上升沿时启动计数，当检测到电流方波信号Trg_I的上升沿时停止计数，输出计数信息N；同时，所述计数器二接收相位预处理后的一路电压方波信号Trg_V，并在时钟信号clk下检测输入信号的上升沿，当检测到第一个电压方波信号Trg_V的上升沿时启动计数，当检测到第二个电压方波信号Trg_V的上升沿时停止计数，输出计数信息N0和相位鉴别启动信号Trg_Q，同时重新开始启动计数，将相位鉴别启动信号Trg_Q发送给相位鉴别模块；时钟信号clk由所述时钟发生器发出；

S3.3、所述相位鉴别模块接收相位鉴别启动信号Trg_Q时，若接收的电流方波信号Trg_I为低电平，则电压信号领先电流信号，相位符号为正；若接收的电流方波信号Trg_I为高电平，则电压信号滞后电流信号，相位符号为负；

S3.4、所述相位计算模块根据接收的计数信息N、N0和相位符号，计算电压和电流的相位D＝(相位符号﹢/-)*(N/N0)*2π。

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