RU2796945C1 - Class d amplifier channel pulse width modulator - Google Patents

Class d amplifier channel pulse width modulator Download PDF

Info

Publication number
RU2796945C1
RU2796945C1 RU2022132704A RU2022132704A RU2796945C1 RU 2796945 C1 RU2796945 C1 RU 2796945C1 RU 2022132704 A RU2022132704 A RU 2022132704A RU 2022132704 A RU2022132704 A RU 2022132704A RU 2796945 C1 RU2796945 C1 RU 2796945C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
control
pulse
output
amplifier
current
Prior art date
Application number
RU2022132704A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Александров
Юрий Витальевич Казаков
Original Assignee
Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" filed Critical Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Application granted granted Critical
Publication of RU2796945C1 publication Critical patent/RU2796945C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: amplifying technique.
SUBSTANCE: used in broadband power amplifiers of hydroacoustic radiating paths. To do this, in a single-channel class D amplifier containing a control circuit with width-modulated signal buses that provides alternate control of the transistors of the key amplifier, an output current sensor and a two-threshold control circuit are introduced that provide alternate control of transistors, taking into account the measured value of the output current, which makes it possible to eliminate current interruption in the inductor of the output filter with minimal turn-on delays of transistors.
EFFECT: improving the quality of the output signal while reducing dynamic energy losses.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области усилительной техники и может быть использовано в широкополосных усилителях мощности гидроакустических передающих устройств.The invention relates to the field of amplifying technology and can be used in broadband power amplifiers of hydroacoustic transmitters.

Усилители мощности сигналов возбуждения гидроакустических излучателей характеризуются большой мощностью (от сотен ВА до десятков КВА) и широким диапазоном частот (от сотен Гц до десятков кГц) в сочетании с высоким качеством выходного напряжения при работе на комплексную нагрузку с весьма малым коэффициентом активной мощности. [1. Александров В.А. и др. Передающие тракты низкочастотной гидролокации/морская радиоэлектроника №1(67) 2019 с. 10-14]. В качестве эффективного направления развития усилителей мощности с рекуперацией энергии от комплексной нагрузки следует выделить ключевые усилители мощности (КУМ) с широтно-импульсной модуляцией, определенные по принятой классификации как усилители класса D [2. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.:Связь.1980, с. 207]. В таких устройствах усиливаемый сигнал преобразуется в последовательность импульсов, усиливаемых по мощности и поступающих на нагрузку через фильтр нижних частот (ФНЧ), входное индуктивное сопротивление которых ограничивает амплитуду высокочастотного тока КУМ.Power amplifiers for excitation signals of hydroacoustic emitters are characterized by high power (from hundreds of VA to tens of KVA) and a wide frequency range (from hundreds of Hz to tens of kHz) in combination with a high quality of the output voltage when operating on a complex load with a very low active power factor. [1. Aleksandrov V.A. and others. Transmitting paths of low-frequency sonar / marine radio electronics No. 1 (67) 2019 p. 10-14]. As an effective direction for the development of power amplifiers with energy recovery from a complex load, key power amplifiers (KPA) with pulse-width modulation, defined according to the accepted classification as class D amplifiers, should be singled out [2. Artym A.D. Class D amplifiers and key generators in radio communications and broadcasting. M.: Communication. 1980, p. 207]. In such devices, the amplified signal is converted into a sequence of pulses that are amplified in power and fed to the load through a low-pass filter (LPF), the input inductive resistance of which limits the amplitude of the high-frequency current of the CCM.

Ток дросселя ФНЧ в схемах ключевого усиления замыкается поочередно через открытые ключевые элементы в шины электропитания и нагрузки, чем достигается минимизация статических потерь энергии на остаточном напряжении усилительных приборов при рекуперации реактивной составляющей мощности комплексной нагрузки. Вместе с тем при этом имеет место изменение проводимости усилительных приборов (транзисторов и диодов), что связано с динамическими факторами потерь, главным образом обусловленными сквозными токами транзистор-диод и транзистор-транзистор. Если первый фактор относится к неустранимому процессу закрытия рекуперативных диодов, то влияние второго фактора может быть исключено введением задержек включения транзисторов. Причем в последнем случае задержка включения должна быть больше максимальной задержки выключения транзисторов, величина которой, как правило, значительно (в 3-4 раза) возрастает с ростом выходного тока. Введение таких задержек включения транзисторных КУМ принципиально сказывается на нелинейных искажениях выходного напряжения [3. Александров В.А и др. Вопросы разработки энергетически эффективных широкополосных гидроакустических передающих устройств для звукоподводной связи/ Гидроакустика 32(4). 2017 г. с. 56-64].The low-pass filter current in the switching amplification circuits is closed in turn through open key elements into the power supply and load buses, which minimizes static energy losses at the residual voltage of the amplifying devices during the regeneration of the reactive power component of the complex load. At the same time, there is a change in the conductivity of amplifying devices (transistors and diodes), which is associated with dynamic loss factors, mainly due to through currents transistor-diode and transistor-transistor. If the first factor relates to the fatal process of closing regenerative diodes, then the influence of the second factor can be eliminated by introducing transistor turn-on delays. Moreover, in the latter case, the turn-on delay should be greater than the maximum turn-off delay of the transistors, the value of which, as a rule, increases significantly (by a factor of 3-4) with an increase in the output current. The introduction of such turn-on delays of transistorized CCMs fundamentally affects the nonlinear distortions of the output voltage [3. Aleksandrov V.A. et al. Development of energy-efficient broadband hydroacoustic transmitters for underwater communication / Hydroacoustics 32(4). 2017 p. 56-64].

Для улучшения качества выходных сигналов ключевого усиления, выполненной на мостовом оконечном каскаде, в известных технических решениях [пат. РФ №2223529 опубл. 10.02.2004; пат. РФ. №2309524 опубл. 27.10.2007] предложено обеспечить управление транзисторами только одной диагонали заданной полярностью модулирующего сигнала. При этом исключается одновременное переключение транзисторов одного канала, выполненного на полумостовой стойке, это устраняет возможность протекания тока транзистор-транзистор без введения дополнительных задержек фронта импульсов управления. Выделенное обстоятельство позволяет уменьшить динамические потери энергии при уменьшении нелинейных искажений в условиях отсутствия фазового сдвига между напряжением и током нагрузки, что имеет место только при коэффициенте активной мощности cosϕн=1. Однако, в случае нарушения этого условия на время фазового сдвига между током и напряжением

Figure 00000001
при таком управлении имеет место эффект обрыва тока дросселя, который приводит к весьма значительным нелинейным искажениям выходного сигнала [Александров В.А. и др. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с широтно-импульсной модуляцией / Радиотехника №10. 1996 г. с. 36].To improve the quality of the output signals of the key amplification, made on the bridge final stage, in known technical solutions [US Pat. RF №2223529 publ. 02/10/2004; Pat. RF. No. 2309524 publ. 27.10.2007] it was proposed to ensure the control of transistors of only one diagonal with a given polarity of the modulating signal. This eliminates the simultaneous switching of transistors of one channel, made on a half-bridge rack, this eliminates the possibility of current flow transistor-transistor without introducing additional delays in the front of the control pulses. The selected circumstance makes it possible to reduce dynamic energy losses while reducing nonlinear distortions in the absence of a phase shift between the voltage and load current, which occurs only when the active power factor cosϕ n =1. However, if this condition is violated, for the time of the phase shift between current and voltage
Figure 00000001
with such control, the effect of interruption of the inductor current takes place, which leads to very significant non-linear distortions of the output signal [Aleksandrov V.A. and other Distortions in push-pull amplifiers of low frequency with pulse-width modulation / Radio engineering №10. 1996 p. 36].

Наиболее близким к предлагаемому устройству является широтно-импульсный модулятор мостового инвертора с поочередным управлением ключевыми элементами для их равномерной загрузки с учетом полярности усиливаемого сигнала, описанный в патенте РФ №2309524, опубликовано 27.10.2007 г. Преимуществом известного устройства является использование раздельных схем управления каналами мостового инвертора, выполненного по полумостовой схеме при раздельной передаче прямого F(+) и инверсного F(-) ШИМ сигналов с учетом состояния двух команд управления. Настоящее устройство по количеству общих признаков в части одноканального усилителя класса D является наиболее близким аналогом предполагаемого устройства и может быть принято за прототип изобретения.The closest to the proposed device is a pulse-width modulator of a bridge inverter with alternate control of key elements for their uniform loading, taking into account the polarity of the amplified signal, described in RF patent No. 2309524, published on 10/27/2007. an inverter made according to a half-bridge circuit with separate transmission of direct F (+) and inverse F (-) PWM signals, taking into account the state of two control commands. The present device, in terms of the number of common features in terms of a single-channel class D amplifier, is the closest analogue of the proposed device and can be taken as a prototype of the invention.

Структурная схема устройства-прототипа, приведенная на фиг. 1, содержит схему 1 управления и ключевой усилитель 2, выполненный по известным правилам на стойке ключевых элементов КЭ1 и КЭ2, включенных в полумостовую схему между шинами электропитания +Е и -Е. Ключевые элементы 2.1, 2.2. содержат полевые транзисторы с обратным диодом и драйверы импульсных сигналов, поступающих с выходов схемы 1 управления. В свою очередь первый и второй входы схемы 1 подключены к шинам прямого F(+) и инверсного F(-) ШИМ сигналов, а первый и второй входы управления к шинам управления Y1 и Y2.The block diagram of the prototype device, shown in Fig. 1, contains a control circuit 1 and a key amplifier 2, made according to known rules on a rack of key elements KE1 and KE2, included in a half-bridge circuit between power supply buses +E and -E. Key elements 2.1, 2.2. contain field-effect transistors with a reverse diode and drivers of pulse signals coming from the outputs of the control circuit 1. In turn, the first and second inputs of circuit 1 are connected to the buses direct F(+) and inverse F(-) PWM signals, and the first and second control inputs to the control buses Y 1 and Y 2 .

В соответствии с принципом действия устройства-прототипа в качестве сигналов управления используется сигнал Y1 синхронизации, представляющий импульсную последовательность типа меандр, полученную делением тактовых импульсов, определяющих формирование ШИМ сигналов, и клейпированный усиливаемый сигнал Y2, определяющий полярность полуволн модулирующего воздействия:In accordance with the principle of operation of the prototype device, the synchronization signal Y 1 is used as control signals, which represents a meander-type pulse sequence obtained by dividing the clock pulses that determine the formation of PWM signals, and the glued amplified signal Y 2 that determines the polarity of the half-waves of the modulating effect:

Figure 00000002
Figure 00000002

Именно сигнал Y2 определяет прохождение импульсов F(+) либо F(-) на управление верхним 2.1 либо нижним 2.2 ключевым элементом ключевого усилителя 2.It is the signal Y 2 that determines the passage of pulses F (+) or F (-) to control the upper 2.1 or lower 2.2 key element of the key amplifier 2.

Импульсные сигналы Х1 и Х2, поступающие на входы управления ключевого усилителя 2 определяются из условий:Pulse signals X 1 and X 2 coming to the control inputs of the key amplifier 2 are determined from the conditions:

Figure 00000003
Figure 00000003

При этом отсутствуют одновременные переключения транзисторов, смена проводимости которых определяется изменением полярности модулирующего воздействия формирования выходного напряжения ключевого усилителя 2, подключенного по известным правилам через дроссель ФНЧ. Напряжение на нагрузку обеспечивается проводящим транзистором данного КЭ и открытым обратным диодом другого КЭ. Например, для U>0 импульсный сигнал F(+) поступает на управление транзистором КЭ1, фиксирующим на выходе ключевого усилителя напряжение V1=+Е на время импульса τи(+). Во время паузы между импульсами tи(-) и tи(+) выходное напряжение V формируется за счет замыкания тока дросселя ФНЧ через рекуперативный диод КЭ2, V=-Е. Для U<0 обеспечивается управление транзистором КЭ2, фиксирующим во время импульсов длительностью tи(-) выходное напряжение V1=-Е, а во время паузы между импульсами длительностями tи(+) и tи(-) напряжение V1=+Е, определяется открытым диодом КЭ1. Таким образом, для выходного тока t1, совпадающего по фазе с сигналом U в устройстве-прототипе формируется неискаженное импульсное напряжение V, совпадающее с ШИМ сигналом F в условиях отсутствия одновременного переключения транзисторов КЭ1 и КЭ2 с тактовой частотой ШИМ, чем достигается минимизация искажений выходного сигнала при уменьшении динамических потерь энергии.In this case, there are no simultaneous switching of transistors, the change in conductivity of which is determined by the change in the polarity of the modulating effect of the formation of the output voltage of the key amplifier 2, connected according to known rules through the LPF choke. The load voltage is provided by the conductive transistor of this CE and the open reverse diode of another CE. For example, for U>0, the pulse signal F(+) is fed to the control of the transistor KE1, which fixes the voltage V 1 =+E at the output of the key amplifier for the duration of the pulse τ and (+). During the pause between pulses t and (-) and t and (+), the output voltage V is formed by closing the low-pass filter current through the regenerative diode KE2, V = -E. For U<0, the control of the transistor KE2 is provided, fixing during pulses of duration t and (-) the output voltage V 1 \u003d -E, and during the pause between pulses of durations t and (+) and t and (-) voltage V 1 \u003d + E, is determined by the open diode KE1. Thus, for the output current t 1 coinciding in phase with the signal U in the prototype device, an undistorted pulse voltage V is formed, coinciding with the PWM signal F in the absence of simultaneous switching of transistors KE1 and KE2 with a PWM clock frequency, which minimizes output signal distortion while reducing dynamic energy losses.

Однако предложенный в устройстве-прототипе принцип действия приводит к значительным искажениям выходного сигнала при наличии существенных фазовых сдвигов между напряжением и током нагрузки. Характерным для широкополосных гидроакустических излучателей является фазовый сдвиг ϕн, соответствующий коэффициенту активной мощности cosϕн=0,11…0,5. В этих условиях на фазовом интервале ϕн через ключевой усилитель 2 должен замыкаться ток обратной полярности по сравнению с полярностью модулирующего сигнала:However, the principle of operation proposed in the prototype device leads to significant distortion of the output signal in the presence of significant phase shifts between the voltage and load current. Characteristic for broadband hydroacoustic radiators is the phase shift ϕ n corresponding to the active power factor cos ϕ n =0.11…0.5. Under these conditions, in the phase interval ϕ n , a current of reverse polarity should be closed through the key amplifier 2 compared to the polarity of the modulating signal:

Figure 00000004
Figure 00000004

При этом в устройстве-прототипе управляемый ключевой элемент замыкает напряжение V через открытый рекуперативный диод на соответствующую шину напряжения Е, а через неуправляемый ключевой элемент ток дросселя не замыкается, и наблюдается эффект обрыва тока. Ток в дросселе отсутствует, и на выходе ключевого усилителя 2 формируется напряжение нагрузки, определенное емкостью фильтра. В результате нарушается линейность модуляционной характеристики широтно-импульсного модулятора, что приводит к недопустимым искажениям сигнала на нагрузке, достигающим 10-30%.At the same time, in the prototype device, the controlled key element closes the voltage V through an open regenerative diode to the corresponding voltage bus E, and the choke current does not close through the uncontrolled key element, and the effect of current interruption is observed. There is no current in the inductor, and the load voltage determined by the filter capacitance is formed at the output of the key amplifier 2. As a result, the linearity of the modulation characteristic of the pulse-width modulator is violated, which leads to unacceptable signal distortions at the load, reaching 10-30%.

Выделенный эффект подробно проанализирован в работе [4. Александров В.А. и др. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с широтно-импульсной модуляцией / Радиотехника 1986 №10. с 37-40].The selected effect is analyzed in detail in [4. Aleksandrov V.A. Distortion in push-pull low-frequency amplifiers with pulse-width modulation / Radio engineering 1986 No. 10. from 37-40].

Применительно к полумостовой схеме усилителя класса D, искаженная амплитудная характеристика имеет аналогичный характер с учетом особенностей протекания высокочастотного тока дросселя ФНЧ. Этот недостаток приводит к увеличению нелинейных искажений в устройстве-прототипе и технических аналогах, что препятствует применению известных технических решений, направленных на понижение динамических потерь энергии.With regard to the half-bridge class D amplifier circuit, the distorted amplitude characteristic has a similar character, taking into account the high-frequency current flow of the low-pass filter choke. This disadvantage leads to an increase in non-linear distortion in the prototype device and technical analogues, which prevents the use of known technical solutions aimed at reducing dynamic energy losses.

Задачей изобретения является улучшение показателей качества выходного сигнала при улучшении энергетических характеристик одноканального усилителя класса D.The objective of the invention is to improve the quality of the output signal while improving the energy characteristics of a single-channel class D amplifier.

Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в дополнении режима поочередного управления ключевыми элементами полумостовой схемы режимом совместного управления с минимальной задержкой фронта импульсов при разной полярности напряжения и тока нагрузки, что обуславливает минимизацию линейных искажений при уменьшении динамических потерь энергии.The technical result from the use of the claimed invention consists in supplementing the mode of alternate control of the key elements of the half-bridge circuit with the mode of joint control with a minimum delay of the pulse front at different polarities of the voltage and current of the load, which minimizes linear distortion while reducing dynamic energy losses.

Технический результат достигается тем, что в известном широтно-импульсном модуляторе усилителя класса D, содержащем схему управления, первый и второй входы которой соединены, соответственно, с шинами первого и второго широтно-модулированных импульсных сигналов, первый и второй входы управления, соответственно, с первой и второй шинами управления, а первый и второй выходы подключены к первому и второму входам ключевого усилителя, соединенного выводами электропитания с шинами положительного и отрицательного напряжения, также содержащего шину нагрузки предлагается ввести двухпороговую схему сравнения и датчик тока, включенный между выходом ключевого усилителя и шиной нагрузки, причем выход датчика тока соединен с входом двухпороговой схемы сравнения, первый и второй выходы которой соединены с первой и второй шинами управления, а, схема управления включает первый и второй узел задержки фронта импульсов, а также первую и вторую схему совпадения, выходы которых соединены с первым и вторым выходом схемы управления, а первые входы - с первым и вторым входами управления схемы управления, первый и второй входы которой подключены через первый и второй узел задержки фронта импульсов со вторыми входами, соответственно, первой и второй схемы совпадений.The technical result is achieved by the fact that in a well-known pulse-width modulator of a class D amplifier, containing a control circuit, the first and second inputs of which are connected, respectively, to the tires of the first and second pulse-width modulated pulse signals, the first and second control inputs, respectively, to the first and the second control buses, and the first and second outputs are connected to the first and second inputs of the key amplifier, connected by power supply outputs to the positive and negative voltage buses, also containing a load bus, it is proposed to introduce a two-threshold comparison circuit and a current sensor connected between the output of the key amplifier and the load bus , wherein the current sensor output is connected to the input of a two-threshold comparison circuit, the first and second outputs of which are connected to the first and second control buses, and the control circuit includes the first and second pulse front delay nodes, as well as the first and second coincidence circuits, the outputs of which are connected to the first and second outputs of the control circuit, and the first inputs - with the first and second control inputs of the control circuit, the first and second inputs of which are connected through the first and second node of the pulse edge delay with the second inputs, respectively, of the first and second coincidence circuits.

Введение новых признаков позволяет уменьшить нелинейные искажения, обусловленные обрывом выходного тока ключевого усилителя при работе на комплексную нагрузку при повешении энергетической эффективности посредством исключения сквозного тока транзистор-транзистор и обеспечении переключений только одного транзистора при совпадении полярности выходного низкочастотного (НЧ) напряжения и тока.The introduction of new features makes it possible to reduce non-linear distortions caused by a break in the output current of a key amplifier when operating on a complex load with an increase in energy efficiency by eliminating the through current transistor-transistor and ensuring switching of only one transistor when the polarity of the output low-frequency (LF) voltage and current coincide.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4а, 4б, где представлены структурная схема устройства-прототипа (фиг. 1) и заявленного устройства (фиг. 2), а также временные диаграммы сигналов (фиг. 3 и фиг. 4а), поясняющие особенности работы предлагаемого широтно-импульсного модулятора канала усилителя класса D при сравнении с устройством-прототипом (фиг. 4б). На фиг. 3 и фиг. 4а и 4б приняты следующие обозначения:The essence of the invention is illustrated in Fig. 1, fig. 2, fig. 3, fig. 4a, 4b, which shows a block diagram of the prototype device (Fig. 1) and the claimed device (Fig. 2), as well as timing diagrams of signals (Fig. 3 and Fig. 4a), explaining the features of the proposed pulse-width modulator of the amplifier channel class D when compared with the prototype device (Fig. 4b). In FIG. 3 and FIG. 4a and 4b, the following designations are adopted:

u - напряжение модулирующего сигнала;u is the voltage of the modulating signal;

Un - опорное пилообразное напряжение для формирования ШИМ сигналов;U n - reference sawtooth voltage for the formation of PWM signals;

F1 и F2- прямой и инверсный ШИМ сигналы на выходных шинах устройства;F 1 and F 2 - direct and inverse PWM signals on the output buses of the device;

V и U - выходное импульсное напряжение и низкочастотная составляющая усиленного и модулирующего сигнала;V and U - output pulse voltage and low-frequency component of the amplified and modulating signal;

Ui и U - измеренные величины выходного тока ключевого усилителя и низкочастотная, составляющая выходного тока нагрузки;U i and U in - the measured values of the output current of the key amplifier and the low-frequency component of the output current of the load;

+U0 и - U0 - пороговые значения измеренной величины выходного тока ключевого усилителя, установленные в двухпороговой схеме сравнения; (Y1 и Y2 - сигналы на первой и второй шинах управления;+U 0 and - U 0 - threshold values of the measured value of the output current of the key amplifier, set in the two-threshold comparison circuit; (Y 1 and Y 2 - signals on the first and second control buses;

Х1 и Х2 - выходные сигналы схемы управления, поступающие на входы ключевого усилителя;X 1 and X 2 - output signals of the control circuit to the inputs of the key amplifier;

ϕ - фазовый сдвиг между низкочастотной составляющей выходного напряжения и низкочастотной составляющей тока нагрузки;ϕ - phase shift between the low-frequency component of the output voltage and the low-frequency component of the load current;

U' - искаженное значение низкочастотной составляющей выходного напряжения;U' - distorted value of the low-frequency component of the output voltage;

ΔU - отклонение значения U' от величины U, обусловленное эффектом обрыва тока.ΔU - deviation of the value U' from the value U, due to the effect of current interruption.

Предлагаемый широтно-импульсный модулятор одноканального усилителя класса D (фиг. 2) содержит схему управления 1, включающую узлы задержки 1.3, 1.4 фронта импульсов и схемы совпадений 1.1, 1.2, с шинами ШИМ сигналов F1шим и F2шим и шинами управления Y1 и Y2, а также с выходными шинами Х1 и Х2, подключенными к входам ключевого усилителя 2, с шинами напряжений электропитания -1-Е и - Е, между которыми включены ключевые элементы КЭ1 и КЭ2, и выходной шиной соединенной через датчик 3 тока с шиной нагрузки, и двухпороговую схему 4 сравнения, включающую две ключевых схемы 4.1 и 4.2.The proposed pulse-width modulator of a single-channel class D amplifier (Fig. 2) contains a control circuit 1, including delay nodes 1.3, 1.4 of the pulse front and coincidence circuits 1.1, 1.2, with PWM signals F 1shim and F 2shim and control buses Y 1 and Y 2 , as well as with output buses X 1 and X 2 connected to the inputs of the key amplifier 2, with power supply voltage buses -1-E and - E, between which the key elements KE1 and KE2 are connected, and the output bus connected through the current sensor 3 with bus load, and two-threshold circuit 4 comparison, including two key circuits 4.1 and 4.2.

В состав предлагаемого устройства входят блоки, выполненные по известным правилам в соответствии с заявленными особенностями реализации, совокупное применение которых обеспечивает достижение технического результата.The composition of the proposed device includes blocks made according to known rules in accordance with the declared implementation features, the combined use of which ensures the achievement of a technical result.

Схема управления 1 предназначена для передачи последовательностей инверсных импульсов Е1ШИМ и Е2ШИМ с шин широтно-модулированных сигналов на входы управления ключевым усилителем 2 с учетом разрешающих команд Y1 и Y2 сформированных на первой и второй шинах управления. В составе схемы управления используется узлы задержки фронта импульсов 1.3 и 1.4 и схемы совпадения 1.1 и 1.2. При этом для формирования задержки фронта импульсов в узлах 1.3, 1.4 может использоваться резистивно-емкостная цепь с форсированным диодным разрядом емкости при условии применения в качестве схемы совпадений логических элементов и с выходами на триггерах Шмитта (с амплитудным гистерезисом). В предполагаемом устройстве может быть обеспечено минимальное достаточное время задержек не более 0,1 мкс.The control circuit 1 is designed to transmit sequences of inverse pulses E 1PWM and E 2PWM from the buses of width-modulated signals to the control inputs of the key amplifier 2, taking into account the enabling commands Y 1 and Y 2 generated on the first and second control buses. As part of the control circuit, the pulse edge delay nodes 1.3 and 1.4 and the coincidence circuits 1.1 and 1.2 are used. In this case, to form a pulse front delay in nodes 1.3, 1.4, a resistive-capacitive circuit with a forced diode capacitance discharge can be used, provided that logic elements are used as a coincidence circuit and with outputs on Schmitt triggers (with amplitude hysteresis). In the proposed device, a minimum sufficient delay time of no more than 0.1 μs can be provided.

Ключевой усилитель 2 в составе усилителя класса D реализуется по типовой полумостовой схеме [1. Александров В.А. и др. Передающие тракты низкочастотной гидролокации/морская радиоэлектроника №1(67) 2019 с. 10-14] ключевых элементов 2.1, 2.2 на полевых транзисторах, включенных последовательно между шинами положительного и отрицательного электропитания. Для согласования управления полевыми транзисторами с выходами схемы управления в состав ключевых элементов включены драйверы импульсных сигналов. Выходное импульсное напряжение ключевого усилителя 2 передается, как правило, через выходную шину и дроссель ФНЧ в нагрузку, в качестве которой в гидроакустических излучающих установках используются пьезоэлектрические преобразователи с выраженной емкостной составляющей проводимости. При этом должен замыкаться низкочастотный ток рекуперации от емкости нагрузки в шины электропитание на интервале фазового сдвига между НЧ составляющей U выходного напряжения V и тока дросселя ФНЧ.Key amplifier 2 as part of a class D amplifier is implemented according to a typical half-bridge circuit [1. Aleksandrov V.A. and others. Transmitting paths of low-frequency sonar / marine radio electronics No. 1 (67) 2019 p. 10-14] key elements 2.1, 2.2 on field-effect transistors connected in series between the positive and negative power supply buses. To match the control of field-effect transistors with the outputs of the control circuit, pulse signal drivers are included in the key elements. The output pulse voltage of the key amplifier 2 is transmitted, as a rule, through the output bus and the LPF choke to the load, which is used in hydroacoustic radiating installations as piezoelectric transducers with a pronounced capacitive component of conductivity. In this case, the low-frequency regeneration current from the load capacitance to the power supply buses should be closed in the interval of the phase shift between the low-frequency component U of the output voltage V and the low-pass filter current.

Измерение тока нагрузки обеспечивает датчик тока, который может быть выполнен на токовом трансформаторе с допустимой частотой кратно ниже минимальной частоты усиливаемого сигнала.Measurement of the load current provides a current sensor, which can be performed on a current transformer with an allowable frequency that is a multiple of the minimum frequency of the signal being amplified.

Двухпороговая схема сравнения должна выделить уровни мгновенных значений измеренной величины выходного тока для формирования зоны одновременного противофазного управления транзисторами ключевого усилителя 2 посредством формирования управляющих команд Y1 и Y2:The two-threshold comparison circuit should highlight the levels of instantaneous values of the measured value of the output current to form a zone of simultaneous anti-phase control of the transistors of the key amplifier 2 by generating control commands Y 1 and Y 2 :

Figure 00000005
Figure 00000005

где U0 - минимально допустимый уровень абсолютной величины измеренного тока дросселя Ui, при котором допустимо управление только одним транзистором ключевого усилителя 2:where U 0 is the minimum allowable level of the absolute value of the measured inductor current U i , at which only one transistor of the key amplifier 2 can be controlled:

Figure 00000006
Figure 00000006

Где

Figure 00000007
определяется исходными сигналами F1шим и F2шим с задержкой фронта импульсов.Where
Figure 00000007
is determined by the original signals F 1shim and F 2shim with a delay in the front of the pulses.

Предлагаемый широтно-импульсный модулятор одноканального усилителя класса D работает следующим образом.The proposed pulse-width modulator of a single-channel class D amplifier operates as follows.

Последовательности импульсов F1 и F2, формируемые противофазно

Figure 00000008
например, в результате сравнения выходного сигнала U с опорным пилообразным напряжением Uп (фиг. 3), поступают на первую и вторую шины ШИМ сигналов:Pulse sequences F 1 and F 2 formed out of phase
Figure 00000008
for example, as a result of comparing the output signal U with the reference sawtooth voltage U p (Fig. 3), they arrive at the first and second PWM signal buses:

Figure 00000009
Figure 00000009

Далее с учетом уровня команд Y1 и Y2 поступающих на первую и вторую шину управления импульсными сигналами F1 и F2 с задержкой фронта τф передаются в виде импульсов X1 и Х2 на управление первого и второго ключевого элемента КЭ2.1 и КЭ2.2 ключевого усилителя 2:Further, taking into account the level of commands Y 1 and Y 2 received on the first and second control bus, pulse signals F 1 and F 2 with a front delay τ f are transmitted in the form of pulses X 1 and X 2 to control the first and second key element KE2.1 and KE2 .2 key amplifier 2:

Figure 00000010
Figure 00000010

Временной интервал τф, формируемый узлами задержки, весьма мал, не принимает значений 0,05-0,1 мкс, и определяется из условия исключения сквозного тока трансформатор-трансформатор при величине выводного тока iL, соответствующего измеренному значению \ |Ui|<U0.The time interval τ f , formed by the delay nodes, is very small, does not take values of 0.05-0.1 μs, and is determined from the condition of exclusion of the through current transformer-transformer at the value of the output current i L corresponding to the measured value \ |U i |< U 0 .

В результате с учетом выражения (4) для измеренного значения |Ui|>0 в предлагаемом устройстве реализуется переключение только транзистора одного КЭ при замыкании тока между импульсами через диод другого КЭ:As a result, taking into account the expression (4) for the measured value |U i |> 0 in the proposed device, only the transistor of one CE is switched when the current is closed between pulses through the diode of another CE:

Для Ui>U0 обеспечивается проводимость транзистора КЭ1 при Х1=1 и проводимость диода КЭ2 при Х2=0;For U i >U 0 the conductivity of the transistor KE1 at X 1 =1 and the conductivity of the diode KE2 at X 2 =0;

Для Ui<-U0 обеспечивается проводимость транзистора КЭ2 при Х2 - 1 и проводимость диода КЭ1 приХ2=0.For U i <-U 0 , the conductivity of the transistor KE2 is ensured at X 2 - 1 and the conductivity of the diode KE1 at X 2 =0.

При этом импульсное напряжение V практически не искажается, а в амплитудной характеристике ключевого усилителя наблюдается незначительное смещение на расчетную величину [4]:In this case, the pulse voltage V is practically not distorted, and in the amplitude characteristic of the key amplifier there is a slight shift by the calculated value [4]:

Figure 00000011
Figure 00000011

где Т - период переключений.where T is the switching period.

Для измеренной величины |Ui|<U0 в предполагаемом устройстве реализуется переходная зона, предполагающая поочередное переключение транзисторов ключевого усилителя 2. В этом случае, как иллюстрируется на фиг. 3, при сравнении измеренных значений Hi тока дросселя, содержащих выраженные в 4 составляющие, с пороговыми значениями +U0 и - U0 формируются импульсами Y1 и Y2 разрешающие поочередное переключение транзисторов КЭ1 и КЭ2, управляемые сигналами Х1 и Х2.For the measured value |Ui|<U 0 in the proposed device, a transition zone is implemented, which involves switching the transistors of the key amplifier 2 in turn. In this case, as illustrated in FIG. 3, when comparing the measured values Hi of the inductor current, containing components expressed in 4, with the threshold values + U 0 and - U 0 , pulses Y 1 and Y 2 are formed allowing alternate switching of transistors KE1 and KE2, controlled by signals X 1 and X 2 .

Однако даже в этом режиме отсутствует одновременное переключение транзисторов на время спада сигнала (Ui) до граничного значения U0. Исключением является изменение сигналов F1 и F2 во время равенства |Ui| = U0. Именно в этой граничной зоне возможность сквозного тока транзистор-транзистор устраняется минимальной задержкой фронта импульсов, значения которых может быть значительно меньше (не менее чем в три раза), чем типовая задержка включения, гарантирующая устранение сквозного тока транзистор-транзистор во всем диапазоне изменения тока дросселя используемая в технических аналогах [1. Александров В.А. и др. Передающие тракты низкочастотной гидролокации/морская радиоэлектроника №1(67) 2019 с. 10-14, 2. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь.1980, с. 207, 3. Александров В.А и др. Вопросы разработки энергетически эффективных широкополосных гидроакустических передающих устройств для звукоподводной связи / Гидроакустика 32(4). 2017 г. с. 56-64, 4. Александров В.А. и др. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с широтно-импульсной модуляцией / Радиотехника 1986 №10. с 37-40].However, even in this mode, there is no simultaneous switching of transistors during the signal decay (U i ) to the boundary value U 0 . The exception is the change in the signals F 1 and F 2 during equality |U i | = U0 . It is in this boundary zone that the possibility of through current transistor-transistor is eliminated by the minimum delay of the front of the pulses, the values of which can be significantly less (at least three times) than the typical turn-on delay, which guarantees the elimination of through current transistor-transistor in the entire range of change in the current of the inductor used in technical counterparts [1. Aleksandrov V.A. and others. Transmitting paths of low-frequency sonar / marine radio electronics No. 1 (67) 2019 p. 10-14, 2. Artym A.D. Class D amplifiers and key generators in radio communications and broadcasting. M.: Communication. 1980, p. 207, 3. Aleksandrov VA et al. Development of energy-efficient broadband hydroacoustic transmitters for underwater communication / Hydroacoustics 32(4). 2017 p. 56-64, 4. Aleksandrov V.A. Distortion in push-pull low-frequency amplifiers with pulse-width modulation / Radio engineering 1986 No. 10. from 37-40].

Следует отметить, что технический эффект от использования предложенного технического решения может быть достигнут и в двухканальных и многоканальных схемах ключевого усиления при суммировании выходных сигналов через фильтры нижних частот.It should be noted that the technical effect of using the proposed technical solution can also be achieved in two-channel and multi-channel circuits of key amplification by summing the output signals through low-pass filters.

Основное преимущество заявляемого технического решения по сравнению с устройством-прототипом (патент РФ №2309524), проявляется при возбуждении комплексной нагрузки в условиях существенного сдвига между током и напряжением нагрузки, что характерно для работы усилителя на широкополосный гидроакустический излучатель, емкостная проводимость которого может существенно превосходить активную проводимость.The main advantage of the proposed technical solution in comparison with the prototype device (RF patent No. 2309524) manifests itself when a complex load is excited under conditions of a significant shift between the load current and voltage, which is typical for the operation of the amplifier on a broadband hydroacoustic radiator, the capacitive conductivity of which can significantly exceed the active conductivity.

На фиг. 4.а и 4.б иллюстрируются временные диаграммы сигналов в предполагаемом (фиг. 4.а) устройстве и устройстве-прототипе (фиг. 4.б) на фазовом интервале ср сдвига между фазой низкочастотного напряжения U и тока нагрузки.In FIG. 4.a and 4.b illustrate the timing diagrams of signals in the proposed (Fig. 4.a) device and the prototype device (Fig. 4.b) in the phase interval cp of the shift between the phase of the low-frequency voltage U and the load current.

В предлагаемом устройстве принцип действия сохраняется при минимальном искажении формы импульсного напряжения. Ток дросселя ФНЧ поочередно замыкается через транзисторы и диоды КЭ1 и КЭ2, чем обеспечивается замыкания тока рекуперации из емкости нагрузки в шины электропитания. При этом нелинейные искажения в режиме номинальной мощности при частоте переключений 100 кГц не превышают 0,5% и может несколько возрастать (до 1%) при малых уровнях тока нагрузки, соответствующих граничным значениям измеренной величины Ui. In the proposed device, the principle of operation is preserved with minimal distortion of the shape of the pulsed voltage. The LPF inductor current is alternately closed through transistors and diodes KE1 and KE2, which ensures the closure of the regeneration current from the load capacitance to the power supply buses. At the same time, non-linear distortions in the rated power mode at a switching frequency of 100 kHz do not exceed 0.5% and may increase slightly (up to 1%) at low levels of load current corresponding to the boundary values of the measured value U i.

В устройстве-прототипе, предполагающем возможность управления транзисторами только при изменении полярности модулирующего сигнала и, совпадающего с низкочастотной составляющей и идеального импульсного напряжения V, возможность рекуперации низкочастотного тока нагрузки отсутствует, что приводит к обрыву тока через рекуперативный диод и искажению формы импульсного напряжения. На фиг. 4.а показано, что измеренная величина тока дросселя Ui, для положительного значения U проникающий через диод КЭ2 спадает до нуля, диод закрывается и на выходе ключевого усилителя 2 наводится напряжения нагрузки до следующего включения транзистора КЭ 1.In the prototype device, which assumes the ability to control transistors only when the polarity of the modulating signal is changed and coincides with the low-frequency component and the ideal pulse voltage V, there is no possibility of recuperation of the low-frequency load current, which leads to a current interruption through the regenerative diode and distortion of the pulse voltage shape. In FIG. 4.a shows that the measured value of the inductor current U i , for a positive value U, penetrating through the diode KE2 drops to zero, the diode closes and the load voltage is induced at the output of the key amplifier 2 until the next turn on of the transistor KE 1.

В результате наблюдается значительное изменение величины U с отклонением ΔU от заданной формы, что обуславливает нелинейные искажения до 10-15%) при номинальном уровне выходной мощности с возможным увеличением до 20-30%) при малом уровне низкочастотного тока.As a result, there is a significant change in the value of U with a deviation of ΔU from the given shape, which causes nonlinear distortions of up to 10-15%) at the nominal output power level with a possible increase of up to 20-30%) at a low level of low-frequency current.

Таким образом, в заявленном устройстве достигается улучшение показателей качества выходного сигнала посредством исключения обрыва тока дросселя при минимизации задержки фронта импульсов в условиях улучшения энергетических характеристик соответствующего раздельной работе транзисторов ключевых элементов в соответствии с полярностью выходного тока. При этом по сравнению с прототипом нелинейные искажения, связанные с обрывом тока, уменьшаются с 10-15% до 0,5-1,5%, в условиях уменьшения динамических потерь более чем в два раза по сравнению с техническими аналогами с одновременным переключением ключевых элементов.Thus, in the claimed device, an improvement in the quality of the output signal is achieved by eliminating the interruption of the inductor current while minimizing the delay in the front of the pulses in terms of improving the energy characteristics of the corresponding separate operation of the transistors of key elements in accordance with the polarity of the output current. At the same time, in comparison with the prototype, the non-linear distortions associated with current interruption are reduced from 10-15% to 0.5-1.5%, in terms of reducing dynamic losses by more than two times compared to technical analogues with simultaneous switching of key elements .

На предприятии изготовляется экспериментальный образец широкополосного усилительного устройства на основе предлагаемого технического решения для возбуждения гидроакустических излучателей, результаты испытаний которого подтвердили достижение заявленного технического результата и обоснованность внедрения настоящего изобретения в широтно-импульсный модулятор одноканального усилителя класса D.An experimental model of a broadband amplifying device is being manufactured at the enterprise based on the proposed technical solution for excitation of hydroacoustic emitters, the test results of which confirmed the achievement of the claimed technical result and the validity of introducing the present invention into a pulse-width modulator of a class D single-channel amplifier.

Claims (1)

Широтно-импульсный модулятор одноканального усилителя класса D, содержащий схему управления, первый и второй входы которой соединены, соответственно, шинами первого и второго широтно-модулированных импульсных сигналов, при этом первый и второй входы управления, соответственно, с первой и второй шинами управления, а первый и второй выходы подключены к первому и второму входу ключевого усилителя, выводы электропитания которого соединены с шинами положительного и отрицательного напряжения электропитания, также содержащий шину нагрузки, отличающийся тем, что в его состав введены двухпороговая схема сравнения и датчик тока, включенный между выходом ключевого усилителя и шиной нагрузки, причем выход датчика тока соединен с входом двухпороговой схемы сравнения, первый и второй выходы которой соединены с первой и второй шинами управления, а, схема управления включает первый и второй узел задержки фронта импульсов, а также первую и вторую схему совпадения, выходы которых соединены с первым и вторым выходом схемы управления, а первые входы - с первым и вторым входами управления схемы управления, первый и второй входы которой подключены через первый и второй узел задержки фронта импульсов со вторыми входами, соответственно, первой и второй схемы совпадений.A pulse-width modulator of a single-channel class D amplifier, containing a control circuit, the first and second inputs of which are connected, respectively, by buses of the first and second pulse-width-modulated pulse signals, while the first and second control inputs, respectively, with the first and second control buses, and the first and second outputs are connected to the first and second inputs of the key amplifier, the power supply outputs of which are connected to the buses of positive and negative power supply voltage, also containing a load bus, characterized in that it includes a two-threshold comparison circuit and a current sensor connected between the output of the key amplifier and a load bus, wherein the output of the current sensor is connected to the input of a two-threshold comparison circuit, the first and second outputs of which are connected to the first and second control buses, and the control circuit includes the first and second node of the pulse edge delay, as well as the first and second coincidence circuit, outputs of which are connected to the first and second outputs of the control circuit, and the first inputs - to the first and second control inputs of the control circuit, the first and second inputs of which are connected through the first and second node of the pulse front delay with the second inputs, respectively, of the first and second coincidence circuits.
RU2022132704A 2022-12-13 Class d amplifier channel pulse width modulator RU2796945C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2796945C1 true RU2796945C1 (en) 2023-05-29

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2309524C2 (en) * 2005-02-07 2007-10-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" (ОАО "НПЦ "Полюс") Two-sided pulse-width modulator for bridge inverter
US7994857B2 (en) * 2009-12-23 2011-08-09 Rockford Corporation Dynamic constant power amplifier
RU2574813C1 (en) * 2014-12-15 2016-02-10 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Multichannel amplifier of d class
RU2716041C1 (en) * 2018-10-30 2020-03-05 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Module of high-voltage key amplifier

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2309524C2 (en) * 2005-02-07 2007-10-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" (ОАО "НПЦ "Полюс") Two-sided pulse-width modulator for bridge inverter
US7994857B2 (en) * 2009-12-23 2011-08-09 Rockford Corporation Dynamic constant power amplifier
RU2574813C1 (en) * 2014-12-15 2016-02-10 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Multichannel amplifier of d class
RU2716041C1 (en) * 2018-10-30 2020-03-05 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Module of high-voltage key amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104170256B (en) Drive the method and drive circuit of the semiconductor power switch of half-bridge connection
CN108880311B (en) Clamping modulation method and device of multi-level inverter and inverter
US6304137B1 (en) Output stage for high power class D amplifiers
US20040232979A1 (en) Efficient minimum pulse spread spectrum modulation for filterless class d amplifiers
US9231535B2 (en) Silent start class-D amplifier
JP2000252767A (en) Class d amplifier with low noise and low distortion
US20030038674A1 (en) Digital power amplifier and digital/analog converter
KR20030066847A (en) Digital pwm input d class amplifier by pwm negative feedback
EP3474448B1 (en) A pulse width modulation circuit, corresponding device and method
EP0234936A2 (en) AM radio transmitter
RU2796945C1 (en) Class d amplifier channel pulse width modulator
US7279966B2 (en) Systems for pseudo-BD modulation
US6538504B1 (en) Switching amplifier crossover distortion reduction technique
WO2003055059A1 (en) Attenuation control for digital power converters
CN105610307B (en) A kind of power switch tube isolation gate drive circuit generating fixed negative pressure
US11750163B2 (en) Deglitching circuit and method in a class-D amplifier
EP3926829A1 (en) Modulator circuit, corresponding device and method
RU2794346C1 (en) Class d amplifier
RU2749278C1 (en) Key device
US20130063209A1 (en) Switching amplifier with an inductor
US11837999B2 (en) Audio amplifier having idle mode
RU1780180C (en) Key-pulse generator
KR100889790B1 (en) Bipolar pulse generator
SU1001394A2 (en) Inverter
RU2007849C1 (en) Powerful key amplifier