CN114172475A - 一种安全型线性稳压数字功放电路 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种安全型线性稳压数字功放电路，所述电路包括安全与门模块、LDO模块、隔离放大模块、信号调整模块、模拟转PWM模块、PWM功率驱动模块以及低通滤波模块。当两路逻辑动态方波控制条件下，数字功放才有供电电源，模块才能上电工作，数字功放才有功率放大电压输出；信号输入与信号输出之间电压放大倍数固定，且不受负载影响，功放输出采用输出闭环调整工作方式，有效的避免了输出负载端阻抗变化时功出输出电压的变化；采用D类功放设计原则提高效率，损耗降低，减少散热，提高集成度。

Description

一种安全型线性稳压数字功放电路
技术领域
本发明实施例涉及铁路轨道技术领域，具体涉及一种安全型线性稳压数字功放电路。
背景技术
在铁路信号控制领域轨道电路设备中，发送器生成的信号源，通过功放器进行放大驱动功出变压器及传输通道。目前现有的技术是通过甲类或乙类功放进行信号放大驱动变压器及后级负载，甲类或乙类功放效率低、损耗高、体积大，在正常工作时最大效率＜50％，剩余50％作为热量损耗，设备自身发热严重，降低了设备的可靠性，且运行过程中耗电巨大，运营费用高，不利于环境保护。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种安全型线性稳压数字功放电路，以解决现有甲类或乙类功放效率低、损耗高、体积大的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种安全型线性稳压数字功放电路，所述电路包括安全与门模块、LDO模块、隔离放大模块、信号调整模块、模拟转PWM模块、PWM功率驱动模块以及低通滤波模块；
所述安全与门模块的输出端连接所述LDO模块的输入端，所述安全与门模块输入有直流电源，当所述安全与门模块的两路输入信号均为动态方波信号时，则输出控制电源至所述LDO模块，所述LDO模块将控制电源通过LDO电路输出第一供电电源至模拟转PWM模块进行供电，并输出第二供电电源分别至隔离放大模块、信号调整模块和模拟转PWM模块进行供电；
所述隔离放大模块的输出端连接所述信号调整模块的输入端，所述信号调整模块的输出端连接模拟转PWM模块的输入端，所述模拟转PWM模块的输出端连接PWM功率驱动模块的输入端，所述PWM功率驱动模块的输出端连接低通滤波模块的输入端，所述低通滤波模块的输出端连接负载和所述信号调整模块，所述隔离放大模块将输入信号进行隔离并放大输出单端共模信号至信号调整模块，所述信号调整模块将所述单端工模信号转换为差分信号后并输出至模拟转PWM模块，并根据信号输出反馈采用负反馈方式调整差分信号幅度，所述模拟转PWM模块将获取的所述差分信号转换为差分PWM信号并输出至PWM功率驱动模块，所述PWM功率驱动模块将所述差分PWM信号转换为大功率的PWM脉宽调制驱动信号并输出至低通滤波模块，所述低通滤波模块将所述PWM脉宽调制驱动信号进行低通滤波处理后输入至负载，并通过负反馈环路反馈给信号调整模块。
进一步地，所述安全与门模块输入有24V直流电源，所述LDO模块将输出+12V电源至模拟转PWM模块进行供电，并输出VCC电源分别至隔离放大模块、信号调整模块和模拟转PWM模块进行供电。
进一步地，当输入的所述动态方波信号消失后，所述LDO模块、隔离放大模块、信号调整模块、模拟转PWM模块、PWM功率驱动模块停止工作。
进一步地，所述信号调整模块实时检测信号输出电压的有效值和信号输入电压的有效值，根据两者之间的差值，实时调整差分信号的幅度，确保信号输出电压的有效值实时跟随信号输入电压的有效值。
进一步地，所述隔离放大模块将输入信号进行隔离并低通滤波后放大，放大倍数由信号调整模块控制，所述信号调整模块通过计算负反馈得到的信号输出电压与隔离放大模块信号输入电压的比值调整所述放大倍数，实现线性输出，转换后的差分信号与转换前的单端工模信号幅值相同，相位相反呈180度反向。
进一步地，所述PWM功率驱动模块将差分PWM信号通过驱动大功率MOS管P沟道和N沟道的组成H桥生成PWM脉宽调制驱动信号。
进一步地，所述低通滤波模块将所述PWM脉宽调制驱动信号进行低通滤波处理后生成连续的、差分的、相位相反180度的功率信号输入至负载。
本发明实施例具有如下优点：
本发明实施例提出的一种安全型线性稳压数字功放电路，当直流电源给定、逻辑电源及动态方波信号给定、输入交流信号时，数字功放电路才能正常工作，从而可以提高数字功放的安全性，且数字功放输出采用线性稳压设计方式，确保对轨道电路传输通道模拟网络、PT单元等信号电平稳定，有效的避免了功出电压变化导致整个传输网络的变化带来的错误动作。采用D类功放设计原则有效提高效率，损耗降低，减少散热，提高集成度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例1提供的一种安全型线性稳压数字功放电路的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种安全型线性稳压数字功放电路的基于负反馈的线性稳压原理示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
实施例1
如图1所示，本实施例提出了一种安全型线性稳压数字功放电路，该电路包括安全与门模块、LDO模块、隔离放大模块、信号调整模块、模拟转PWM模块、PWM功率驱动模块以及低通滤波模块，本实施例中，各模块技术指标如下表：
编号 信号类目 参数
1 逻辑电压输入电压范围 3.0V～5.5DCV
2 逻辑动态信号输入频率 2KHz～5KHz
3 电源电压范围 18VDC～52VDC
4 驱动效率 ＞85％
5 输出功率 ＞100W
6 模拟信号输入频率范围 20Hz-5KHz
7 模拟信号信号输入幅度 0mV～10V AC，可设定
8 模拟信号放大倍数 12.5倍
9 工作环境温度 -40℃～+85℃
10 存储环境温度 -40℃～+85℃
安全与门模块的输出端连接LDO模块的输入端，安全与门模块输入有直流电源，当安全与门模块的两路输入信号均为动态方波信号时，则输出控制电源至LDO模块，LDO模块将控制电源通过LDO电路输出第一供电电源至模拟转PWM模块进行供电，并输出第二供电电源分别至隔离放大模块、信号调整模块和模拟转PWM模块进行供电。
本实施例中，采用通过SIL-4级认证的安全与门模块，当检测到信号输出错误或故障时，可停止安全与门的动态输出，系统无控制电源，导致数字功放无VCC和+12V电源，进而导致无输出信号，极大的提升故障导向安全特性。
本实施例中，安全与门模块输入有24V直流电源，LDO模块输入电压范围DC18V～DC52V，LDO模块将输出+12V电源至模拟转PWM模块进行供电，并输出VCC电源分别至隔离放大模块、信号调整模块和模拟转PWM模块进行供电。
采用安全与门控制前置放大及控制电路电源通断。只有两路输入动态方波信号都满足时才满足生成控制电源，有一个或都不满足则无控制电源输出。当输入的动态方波信号消失后，LDO模块、隔离放大模块、信号调整模块、模拟转PWM模块、PWM功率驱动模块停止工作，满足反应式故障安全的要求。当两路逻辑动态方波控制条件下，数字功放才有供电电源，模块才能上电工作，数字功放才有功率放大电压输出。
本实施例中，两路输入动态方波信号频率为2KHz～5KHz，占空比约为50％。
隔离放大模块的输出端连接信号调整模块的输入端，信号调整模块的输出端连接模拟转PWM模块的输入端，模拟转PWM模块的输出端连接PWM功率驱动模块的输入端，PWM功率驱动模块的输出端连接低通滤波模块的输入端，低通滤波模块的输出端连接负载和信号调整模块。
隔离放大模块将输入信号进行隔离并放大输出单端共模信号至信号调整模块。信号调整模块将单端工模信号转换为差分信号后并输出至模拟转PWM模块，并根据信号输出反馈采用负反馈方式调整差分信号幅度。
隔离放大模块采用高隔离变压器方式，实现信号输入与数字功放之间的隔离，有效避免共地带来的共模干扰，并对信号进行低通滤波和电压跟随器增强驱动能力。信号调整模块将单端的共模信号通过放大器反向原理转换为差分信号，输入信号输出信号幅值不变相位相反，这样做的好处减少了由于共地问题所带来的干扰，使有效信号保持在差分对信号正负线中避免地带来的干扰。
具体的，隔离放大模块将输入信号进行隔离并低通滤波后放大，放大倍数由信号调整模块控制，信号调整模块通过计算负反馈得到的信号输出电压与隔离放大模块信号输入电压的比值调整放大倍数，实现线性输出，转换后的差分信号与转换前的单端工模信号幅值相同，相位相反呈180度反向。信号调整模块将放大后的单端共模信号转换为差模信号有利于消除共模干扰，使抗干扰能力提高。同时采集低通滤波模块输出电压，计算比值调整隔离放大模块放大倍数，使数字功放的信号通道阻抗得到补偿，快速响应负载，进行调节使之做到线性比例输出。
如图2所示，信号调整模块实时检测信号输出电压的有效值和信号输入电压的有效值，根据两者之间的差值，实时调整差分信号的幅度，确保信号输出电压的有效值实时跟随信号输入电压的有效值，若输出电压的有效值减去信号输入电压的有效值得到的差值大于0V，则减小差分信号的幅度，若差值小于0V，则增大差分信号的幅度，通过实时动态调整的方法，保障输出信号幅度与输入信号幅度形成固定的比例关系。
模拟转PWM模块将获取的差分信号转换为差分PWM信号并输出至PWM功率驱动模块。通过将差分的模拟信号分别调制为PWM信号表示，将模拟信号进行调制，调制为开关频率固定，脉宽可调的开关信号，将连续模拟信号调制为数字脉宽可调信号后，以利于驱动后级功率驱动模块。模拟转PWM模块采用500KHz的开关调制频率，将正弦交流信号调制为固定频率脉宽变化的开关信号，为后级驱动MOS管的H桥电路提供控制信号。
PWM功率驱动模块将差分PWM信号转换为大功率的PWM脉宽调制驱动信号并输出至低通滤波模块。
具体的，PWM功率驱动模块将差分PWM信号通过驱动大功率MOS管P沟道和N沟道的组成H桥生成PWM脉宽调制驱动信号。
低通滤波模块将PWM脉宽调制驱动信号进行低通滤波处理后输入至负载，并通过负反馈环路反馈给信号调整模块。
具体的，低通滤波模块将PWM脉宽调制驱动信号进行低通滤波处理后生成连续的、差分的、相位相反180度的功率信号输入至负载。低通滤波电路由LC电感电容滤波网路组成，有效的对PWM开关信号进行滤波，使转换为频带内连续的模拟功率信号。低通滤波是将50KHz以下的频带内信号保留,将50KHz以上的频率信号衰减滤除。经过低通滤波后滤除了PWM模块的功率开关信号，还原隔离放大模块输入的连续模拟信号，只对信号幅值进行放大，频率不变。
前后级模块通道间传输阻抗是由所述隔离放大模块放大倍数通过所述信号调整模块、模拟转PWM模块、PWM功率模块、低通滤波模块及负载组成。数字功放不改变输入输出的频率特性，数字功放的信号输出电压有效值幅度，与信号输入有效值的幅度成线性比例关系，不受负载阻抗的影响。
本实施例提出的一种安全型线性稳压数字功放电路，采用安全与门模块，控制数字功放的供电电源输入，极大的提升故障导向安全特性；采用线性跟随输出方式，不随负载的变化而变化；采用D类功放拓扑结构，使功率器件功耗较低，相比A类、AB类功放提高效率，缩小体积成本降低；采用电子模块式设计，便于生产安装，适用于不同场景，密闭灌封使产品在高湿热环境中工作更稳定，有利于产品性能的一致性；不但符合轨道电路故障安全原则，且设计简单、信号传输效率高，自身损耗低，体积小集成度高，可应用于铁路轨道电路发送设备中，尤其适用ZPW-2000轨道电路和25Hz相敏轨道电路。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种安全型线性稳压数字功放电路，其特征在于，所述电路包括安全与门模块、LDO模块、隔离放大模块、信号调整模块、模拟转PWM模块、PWM功率驱动模块以及低通滤波模块；
所述安全与门模块的输出端连接所述LDO模块的输入端，所述安全与门模块输入有直流电源，当所述安全与门模块的两路输入信号均为动态方波信号时，则输出控制电源至所述LDO模块，所述LDO模块将控制电源通过LDO电路输出第一供电电源至模拟转PWM模块进行供电，并输出第二供电电源分别至隔离放大模块、信号调整模块和模拟转PWM模块进行供电；
所述隔离放大模块的输出端连接所述信号调整模块的输入端，所述信号调整模块的输出端连接模拟转PWM模块的输入端，所述模拟转PWM模块的输出端连接PWM功率驱动模块的输入端，所述PWM功率驱动模块的输出端连接低通滤波模块的输入端，所述低通滤波模块的输出端连接负载和所述信号调整模块，所述隔离放大模块将输入信号进行隔离并放大输出单端共模信号至信号调整模块，所述信号调整模块将所述单端工模信号转换为差分信号后并输出至模拟转PWM模块，并根据信号输出反馈采用负反馈方式调整差分信号幅度，所述模拟转PWM模块将获取的所述差分信号转换为差分PWM信号并输出至PWM功率驱动模块，所述PWM功率驱动模块将所述差分PWM信号转换为大功率的PWM脉宽调制驱动信号并输出至低通滤波模块，所述低通滤波模块将所述PWM脉宽调制驱动信号进行低通滤波处理后输入至负载，并通过负反馈环路反馈给信号调整模块。
2.根据权利要求1所述的一种安全型线性稳压数字功放电路，其特征在于，所述安全与门模块输入有24V直流电源，所述LDO模块将输出+12V电源至模拟转PWM模块进行供电，并输出VCC电源分别至隔离放大模块、信号调整模块和模拟转PWM模块进行供电。
3.根据权利要求1所述的一种安全型线性稳压数字功放电路，其特征在于，当输入的所述动态方波信号消失后，所述LDO模块、隔离放大模块、信号调整模块、模拟转PWM模块、PWM功率驱动模块停止工作。
4.根据权利要求1所述的一种安全型线性稳压数字功放电路，其特征在于，所述信号调整模块实时检测信号输出电压的有效值和信号输入电压的有效值，根据两者之间的差值，实时调整差分信号的幅度，确保信号输出电压的有效值实时跟随信号输入电压的有效值。
5.根据权利要求1所述的一种安全型线性稳压数字功放电路，其特征在于，所述隔离放大模块将输入信号进行隔离并低通滤波后放大，放大倍数由信号调整模块控制，所述信号调整模块通过计算负反馈得到的信号输出电压与隔离放大模块信号输入电压的比值调整所述放大倍数，实现线性输出，转换后的差分信号与转换前的单端工模信号幅值相同，相位相反呈180度反向。
6.根据权利要求1所述的一种安全型线性稳压数字功放电路，其特征在于，所述PWM功率驱动模块将差分PWM信号通过驱动大功率MOS管P沟道和N沟道的组成H桥生成PWM脉宽调制驱动信号。
7.根据权利要求1所述的一种安全型线性稳压数字功放电路，其特征在于，所述低通滤波模块将所述PWM脉宽调制驱动信号进行低通滤波处理后生成连续的、差分的、相位相反180度的功率信号输入至负载。
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