CN205811967U - 一种载波相移脉宽调制型数字功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种载波相移脉宽调制型数字功率放大器，数字功率放大器包括数字功放控制器、驱动电路模块、功放主电路和滤波模块；所述的数字功放控制器接收外部输入的模拟音频信号和开关信号，完成输入模拟音频信号的数字量化，并将其与2m个相位依次相差π/m的数字三角载波进行PWM脉宽调制，产生2m组频率相同的、占空比与输入音频幅度成正比的PWM控制信号；功放主电路经驱动电路模块与数字功放控制器输出的2m组PWM控制信号相连，实现PWM控制信号功率的放大与合成，并经LC无源低通滤波器产生大功率模拟音频信号，驱动末端负载。本实用新型能有效提高数字功放的输出功率和可靠性，降低失真度。
Description
技术领域
本实用新型属于电力电子技术领域，特别涉及一种大功率的数字功率放大器。
背景技术
进入21世纪以来，电力电子技术得到了高速发展，功率放大器在社会生活的很多领域得到了广泛应用。传统的模拟功放一般采用工频变压器电源和AB类功放，效率低、体积大、笨重；而数字功放结构简单、传输效率高、易于集成，在体积、重量、效率和可靠性等方面具有明显优势，近年来得到迅速的发展。
但因为功率开关器件工艺水平和技术的限制，单模块数字功放的功率等级和开关频率是有限的，很难满足一些大功率、低失真度应用场合的需要。为了解决这一问题，目前公知的大功率数字功放多采用功率等级较高的功率管，并将其串、并联使用，以达到大功率的要求。可是由于器件的非理想开关特性，串并联合后等效输入电容增大，实际开关频率进一步降低，致使数字功放失真度恶化，滤波模块体积增大；另外，由于各器件本身的特性不可能完全相同，导致各器件承受的电压、电流不均衡，甚至造成器件的损坏，系统可靠性变差。因此，提供一种高可靠性、低失真度的大功率数字功率放大器具有重要的意义。
实用新型内容
本实用新型所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种载波相移脉宽调制型数字功率放大器，能有效提高数字功放的输出功率和可靠性，降低失真度。
本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案为：
一种载波相移脉宽调制型数字功率放大器，包括数字功放控制器、驱动电路模块、功放主电路和滤波模块；
所述数字功放控制器，用于完成模拟音频信号的采样并与2m个频率相同、相位依次相差π/m的数字三角载波进行PWM脉宽调制，产生2m组频率相同、相位依次相差π/m的PWM控制信号，且每组PWM控制信号由两个电平互补的PWM控制信号组成，其占空比与输入音频信号的幅度成正比；
所述的驱动电路模块位于数字功放控制器与功放主电路之间，用于接收数字功放控制器输出的2m组PWM控制信号，完成PWM控制信号功率的放大，使其能够驱动功放主电路中的H桥功率模块；
所述功放主电路由m个相同的H桥功率模块组成，m个H桥功率模块正负输出端依次串联；一个H桥功率模块中，同一个桥臂的上、下两个功率开关器件接收驱动电路模块输出的一组PWM控制信号；功放主电路用于实现H桥功率模块输出信号的功率放大与合成；通过调节串联的H桥功率模块的个数调节输出功率的大小；
所述的滤波模块，用于对功放主电路输出的功率合成信号进行滤波，产生大功率模拟音频信号，以驱动末端负载。
所述数字功放控制器包括在相同的时钟节拍下并行运行的音频采样模块、延时/定时器和2m个数字PWM调制器；
所述的音频采样模块接收输入的模拟音频信号，完成音频信号的数字量化；
所述的延时/定时器接收输入的开关信号，产生2m路时间间隔依次相差T/2m的数字PWM调制器相位触发信号，实现数字PWM调制器三角载波相位的控制；其中T为PWM调制器的载波周期；
每一个数字PWM调制器包括一个计数器和一个比较器；每一个计数器由延时/定时器输出的一路相位触发信号启动，连续做递增-递减-递增计数，产生周期性数字三角载波；每一个比较器在时钟节拍下实时地将相应计数器中的计数值与输入音频信号数字量化后的数值进行比较，输出两个电平互补的、占空比与输入音频信号幅度成正比的PWM控制信号。
每一个H桥功率模块由四组电路结构相同的功率开关模块呈H桥式连接而成；
每一组功率开关模块由1个带续流二极管的功率开关器件Q和1个RCD缓冲电路并联组成；
所述的RCD缓冲电路，由一个二极管D1、电阻R1和C1组成，电阻R1和二极管D1并联后与电容C1串联。
所述功率开关器件Q为绝缘栅双极晶体管IGBT或半导体场效应晶体管MOSFET。
所述功率开关器件Q为绝缘栅双极晶体管IGBT；
一个H桥功率模块中四组功率开关模块的连接方式为：第一功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q1栅极接经驱动电路模块后的PWM1控制信号，发射极分别与第二功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q2的集电极和H桥功率模块的负向输出端OUT1-相连，集电极与直流电源DC1的正极相连；第二功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q2栅极接经驱动电路模块后的/PWM1控制信号，发射极与直流电源DC1的负极相连；第三功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q3栅极接经驱动电路模块后的/PWM2控制信号，发射极分别与第四功率开关模块中的Q4集电极、H桥功率模块的正向输出端OUT1+相连，集电极与直流电源DC1的正极相连；第四功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q4栅极接经驱动电路模块后的PWM2控制信号，发射极与直流电源DC1的负极相连。
所述功放主电路的m个H桥功率模块组成分别采用不共地的直流电源供电。
所述1≤m≤16。
所述的滤波模块采用由LC无源低通滤波器构成的LC梯形滤波网络。
有益效果：
1)本实用新型由于功放主电路模块采用m个H桥功率子模块串联，所以可以通过调节串联的H桥功率子模块的个数调节输出功率的大小，使其能适应不同功率需求应用场合；同时由于每一个子模块只放大两组PWM控制信号，且每一个子模块的电路结构相同，故功放主电路模块拓扑电路结构简单，易于扩展维护，可靠性高；
2)本实用新型由于数字功放控制器中的2m个数字PWM调制器，载波频率相同，相位依次错开π/m，与同一输入音频信号进行PWM脉宽调制后，等效载波频率提高2m倍，所以经功放主电路功率合成后的总输出波形谐波含量将大大减少，滤波模块体积大幅削减，失真度也得到明显提升。
本实用新型可在低开关频率条件下满足低失真度、20kW以上的功率放大要求。能广泛应用于数字音频系统、功率发射装置和声纳探测设备等场合。
附图说明
图1是本实用新型结构框图；
图2是本实用新型中数字PWM调制器工作原理图；
图3是本实用新型中数字功放控制器功能结构框图；
图4是本实用新型中H桥功率模块电路原理图；
图5是本实用新型中功放主电路结构框图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。以下结合各模块的实现电路实例，对本实用新型作进一步描述，但不构成对本实用新型的任何限制，实践中这些电路形式都可以进行不同的搭建和变更。
本实施例中，m＝4。
参照图1、2，本实用新型的载波相移脉宽调制型数字功率放大器由数字功放控制器、驱动电路模块、功放主电路和滤波模块组成。所述数字功放控制器，用于完成模拟音频信号的采样，并与8个频率相同、相位依次相差π/4的数字三角载波进行PWM脉宽调制，产生8组频率相同的PWM控制信号，且每组PWM控制信号由两个电平互补的PWM控制信号组成，其占空比与输入音频信号的幅度成正比；所述功放主电路由四个相同的H桥功率模块组成，并分别采用不共地的直流电源供电，正负输出端依次串联，实现H桥功率模块输出信号功率的合成；所述的驱动电路位于数字功放控制器与功放主电路之间，用于接收数字功放控制器输出的PWM控制信号，完成H桥功率模块的驱动；所述的滤波模块采用LC无源低通滤波器，用于对功放主电路输出的功率合成信号进行滤波，产生大功率模拟音频信号。
参照图3，所述数字功放控制器由音频采样模块、延时/定时器和八个数字PWM调制器组成，且在相同的CLK时钟节拍下并行运行；其中所述的音频采样模块的主要功能是完成模拟输入音频信号的采样数字量化；所述的延时/定时器用于接收输入的开关机信号，产生八路时间间隔依次相差T/8(T为PWM调制器的载波周期)的数字PWM调制器相位触发信号TRG1-8，实现数字PWM调制器三角载波相位的控制；
每一个数字PWM调制器包括一个计数器和一个比较器；第一个数字PWM调制器的计数器由延时/定时器输出的相位触发信号TRG1启动，在时钟CLK的节拍下从零开始做递增计数，当计数达到周期计数值时，做递减计数直至零，如此往复循环执行；所述的比较器实时地将计数器中的计数值与输入音频采样后的数值进行比较，当音频采样的数值大于等于计数器数值时，比较器的PWM1输出端输出高电平，/PWM1输出端输出低电平，当音频采样的数值小于计数器数值时，比较器的PWM1输出端输出低电平，/PWM1输出端输出高电平，从而产生两路电平互补的、占空比与音频信号幅度成线性的PWM控制信号。
数字功放控制器PWM脉宽调制后输出的PWM控制信号经驱动电路与H桥功率模块相连；所述的H桥功率模块由四组功率开关模块桥式连接而成，用于完成PWM控制信号功率的放大；所述的功率开关模块由1个带续流二极管的绝缘栅双极晶体管Q1和1个RCD缓冲电路并联组成；
参照图4，所述的四组功率开关模块电路结构相同，它们的连接情况是：第一功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q1栅极接经驱动电路模块后的PWM1控制信号，发射极分别与第二功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q2的集电极和H桥功率模块的负向输出端OUT1-相连，集电极与直流电源DC1的正极相连；第二功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q2栅极接经驱动电路模块后的/PWM1控制信号，发射极与直流电源DC1的负极相连；第三功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q3栅极接经驱动电路模块后的/PWM2控制信号，发射极分别与第四功率开关模块中的Q4集电极、H桥功率模块的正向输出端OUT1+相连，集电极与直流电源DC1的正极相连；第四功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q4栅极接经驱动电路模块后的PWM2控制信号，发射极与直流电源DC1的负极相连。
所述的RCD缓冲电路，由一个二极管D1、电阻R1和C1组成，电阻R1和二极管D1并联后与电容C1串联。
参照图5，所述功放主电路由4个相同的H桥功率模块组成，且各个H桥功率模块分别采用不共地的直流电源供电，正负输出端依次串联，实现H桥功率模块输出信号功率的合成，并通过OUT+/-输出端输出给低通滤波模块，产生大功率模拟音频信号；
以上仅是本实用新型的一个具体实例，不构成对本实用新型的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解本实用新型内容和原理后，都不能背离本实用新型原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本实用新型思想的修正和改变仍在本实用新型的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种载波相移脉宽调制型数字功率放大器，其特征在于：包括数字功放控制器、驱动电路模块、功放主电路和滤波模块；
所述数字功放控制器，用于完成模拟音频信号的采样，并与2m个频率相同、相位依次相差π/m的数字三角载波进行PWM脉宽调制，产生2m组频率相同、相位依次相差π/m的PWM控制信号，且每组PWM控制信号由两个电平互补的PWM控制信号组成，其占空比与输入音频信号的幅度成正比；
所述的驱动电路模块位于数字功放控制器与功放主电路之间，用于接收数字功放控制器输出的2m组PWM控制信号，完成PWM控制信号功率的放大，使其能够驱动功放主电路中的H桥功率模块；
所述功放主电路由m个相同的H桥功率模块组成，且m个H桥功率模块的正负输出端依次串联；一个H桥功率模块中，同一个桥臂的上、下两个功率开关器件接收驱动电路模块输出的一组PWM控制信号；功放主电路用于实现H桥功率模块输出信号的功率放大与合成；
所述的滤波模块，用于对功放主电路输出的功率合成信号进行滤波，产生大功率模拟音频信号，以驱动末端负载。
2.如权利要求1所述的载波相移脉宽调制型数字功率放大器，其特征在于：所述数字功放控制器包括在相同的时钟节拍下并行运行的音频采样模块、延时/定时器和2m个数字PWM调制器；
所述的音频采样模块接收输入的模拟音频信号，完成音频信号的数字量化；
所述的延时/定时器接收输入的开关信号，产生2m路时间间隔依次相差T/2m的数字PWM调制器相位触发信号，实现数字PWM调制器三角载波相位的控制；其中T为PWM调制器的载波周期；
每一个数字PWM调制器包括一个计数器和一个比较器；每一个计数器由延时/定时器输出的一路相位触发信号启动，连续做递增-递减-递增计数，产生周期性数字三角载波；每一个比较器在时钟节拍下实时地将相应计数器中的计数值与输入音频信号数字量化后的数值进行比较，输出两个电平互补的、占空比与输入音频信号幅度成正比的PWM控制信号。
3.如权利要求2所述的载波相移脉宽调制型数字功率放大器，其特征在于：每一个H桥功率模块由四组电路结构相同的功率开关模块呈H桥式连接而成；
每一组功率开关模块由1个带续流二极管的功率开关器件Q和1个RCD缓冲电路并联组成；
所述的RCD缓冲电路，由一个二极管D1、电阻R1和C1组成，电阻R1和二极管D1并联后与电容C1串联。
4.如权利要求3所述的载波相移脉宽调制型数字功率放大器，其特征在于：所述功率开关器件Q为绝缘栅双极晶体管IGBT或半导体场效应晶体管MOSFET。
5.如权利要求4所述的载波相移脉宽调制型数字功率放大器，其特征在于：所述功率开关器件Q为绝缘栅双极晶体管IGBT；
一个H桥功率模块中四组功率开关模块的连接方式为：第一功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q1栅极接经驱动电路模块后的PWM1控制信号，发射极分别与第二功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q2的集电极和H桥功率模块的负向输出端OUT1-相连，集电极与直流电源DC1的正极相连；第二功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q2栅极接经驱动电路模块后的/PWM1控制信号，发射极与直流电源DC1的负极相连；第三功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q3栅极接经驱动电路模块后的/PWM2控制信号，发射极分别与第四功率开关模块中的Q4集电极、H桥功率模块的正向输出端OUT1+相连，集电极与直流电源DC1的正极相连；第四功率开关模块中的绝缘栅双极晶体管Q4栅极接经驱动电路模块后的PWM2控制信号，发射极与直流电源DC1的负极相连。
6.如权利要求5所述的载波相移脉宽调制型数字功率放大器，其特征在于：所述功放主电路的m个H桥功率模块组成，分别采用不共地的直流电源供电。
7.如权利要求6所述的载波相移脉宽调制型数字功率放大器，其特征在于：所述1≤m≤16。
8.如权利要求1～7中任一项所述的载波相移脉宽调制型数字功率放大器，其特征在于：所述的滤波模块采用由LC无源低通滤波器构成的LC梯形滤波网络。
Priority Applications (1)
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| CN201620587627.6U CN205811967U (zh) | 2016-06-16 | 2016-06-16 | 一种载波相移脉宽调制型数字功率放大器 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN107360502A (zh) * | 2017-08-30 | 2017-11-17 | 东莞中拓机械技术开发有限公司 | 一种脉宽调制双1000w(ir2)功放模组 |
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| CN107360502A (zh) * | 2017-08-30 | 2017-11-17 | 东莞中拓机械技术开发有限公司 | 一种脉宽调制双1000w(ir2)功放模组 |
| CN107360502B (zh) * | 2017-08-30 | 2023-12-22 | 东莞精恒电子有限公司 | 一种脉宽调制双1000w(ir2)功放模组 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |