基于双向功率变换的高效率无电源泵音频开关功放研究

发布时间：2020-10-26 01:26

　　 音频功率放大器,简称音频功放,在当代生活中的各个方面均有着广泛的应用。音频功放主要将20Hz~20kHz人耳听力范围内的小幅度音频信号进行放大,以推动喇叭震动,从而产生所需的声音。在音频信号放大的过程中,保证放大后的音频信号波形不失真,完美还原声音信号成为了音频功放的关键。传统音频功放一般采用线性放大电路,输出电压失真低,但功放系统效率极低,增大了散热器体积。在近年来一些便携式音频设备中,小体积、高效率、低失真、高功率密度成为音频功放的重要指标。音频开关功放由于其具有以上优点,得到了广泛应用,成为音频功放中的研究重点。相比于线性功放,开关功放的理论效率为100%,因此也越来越受欢迎。class-D音频功放是近年来一种广泛应用的开关功放,class-D音频功放分半桥和全桥两种,其中半桥class-D音频功放电路简单,成本较低,非常适合于小功率音频功放场合。然而,半桥class-D音频功放需要正负对称电源供电,因此半桥class-D音频功放的前级DCDC变换器必须有着对称的双极性输出。在半桥class-D音频功放中,当输出电流为正时,输出电流会在负电源上堆积电荷,造成负电源电压进一步降低;当输出电流为负时,输出电流会在正电源上堆积电荷,造成正电源电压进一步升高,该现象被称为电源泵问题。特别地,当输出电压频率较低,通常小于200Hz时,电源泵问题将会变的很严重,正负电源电压波动甚至会达到数倍正常电源电压值,较大的class-D功放供电电源电压波动会增大功放的输出电压失真,也会造成半桥class-D音频功放的器件损坏,对音频功放系统产生不良影响。传统抑制电源泵问题的方法是在前级DC-DC变换器的正负输出两端并联较大的电解电容,但该方法降低了功放系统的功率密度。为了解决半桥class-D音频功放中的电源泵问题,同时提高功放系统的功率密度,本文提出了一种单输入双极性对称输出的双向DC-DC变换器作为半桥class-D音频功放的前级变换器,构成两级式半桥classD音频功放,通过前级双向DC-DC变换器将电源泵回馈的能量传输到音频功放系统的输入电源端,从而消除了电源泵问题。该变换器结合Buck-boost变换器和Zeta变换器,在任意端口电流流入流出的情况下,均可实现所有开关管的ZVS导通。在输出电容较小的情况下,本文提出的前级DC-DC变换器也能为后级半桥class-D音频功放提供稳定的高度对称的正负输出电压。因此,该音频功放系统实现了高效率、高功率密度、低失真等。近年来,高频链DC-AC变换器成为一种高效的隔离型DC-AC变换器架构。为了进一步提高音频功放的效率,本文提出一种准单级高频链音频功放,该音频功放采用由准单级高频链DC-AC变换器构成的双向软开关直流变压器(DC-transformer,DCX),为半桥class-D音频功放提供正负母线电压,并通过该DCX消除了半桥class-D音频功放的电源泵问题。该DCX在功率正反流动时均能实现ZVS导通,减小了开关损耗。此外,该DCX理论上不需要输出电容即可输出高度对称的正负输出电压,实际中仅需很小的输出电容以降低开关纹波进行稳压。由于该DCX省掉了控制环路设计,减小了输出电容,且该音频功放系统实现了单级功率转换,提高了系统效率,因此该音频功放系统具有低成本、高效率、低失真等优点。结合单级式高频链DC-AC变换器,本文提出了一种单级式高频链软开关音频开关功放。相比于传统class-D音频功放,本文提出的单级式音频功放实现了单级功率变换,是一种全新的音频开关功放架构。该音频功放实现了能量双向流动,没有传统半桥class-D音频功放的电源泵问题。由于单级功率变换和开关管的软开关,该音频功放实现了比传统class-D音频功放更高的系统效率。此外,该音频功放采用双极性调制,消除了单极性调制下的占空比丢失问题,保证了音频功放较好的输出电压失真。为了验证本文理论分析的正确性,利用仿真软件搭建了相应的电路仿真并制作了实验样机平台。仿真及实验结果很好地验证了理论分析,所制作的音频开关功放样机均实现了高效率、低失真以及无电源泵问题。
【学位单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM46
【部分图文】：

图 1-1 智能音箱产品推出时间图从学术研究方面，国内外大量学者从调制策略、功放效率、输出失真(Totalharmonicdistortion and noise, THD+N)、信噪比(Signal to noise ratio, SNR)、电源抑制比(Powersupply rejection ration, PSRR)、EMI(Electromagnetic Interference, EMI)等各个方面对class-D 音频功放做了大量的研究[7]-[28]。经过对 class-D 音频功放的深入研究，提出了很多针对输出失真的优化改进方法，一些 class-D 音频开关功放的输出失真已经可以媲美class-A 线性音频功放[29]-[31]。因此，高效率低失真的 class-D 音频功放已经成为便携式消费类音频电子产品的首选。由于 class-D 音频功放一般均需要前级 DC-DC 变换器将较低或者较高的输入电压转换到适宜 class-D 音频功放供电的电压等级，两级式 class-D 音频功放的前级 DC-DC变换器也成为重要的研究对象[32]-[36]。由于半桥 class-D 音频功放有较严重的电源泵问题，影响了音频功放性能，为了更好地满足应用需求，提高开关功放的系统效率，消除半桥 class-D 音频功放的电源泵问题成了重点研究对象。此外，在 class-D 音频功放的基础上，文献[17]、[37]-[40]将音频开关功放与前级 DC-DC 变换器结合，形成了新的单

西南交通大学博士研究生学位论文呈现容性，在高频输出电压下呈现感性。因此，当负载呈现非阻频功放系统输出电压和输出电流的相位便有所不同。若负载为感性Sa和 Sb的开关时序不变，输出电流 io向左平移，输出电流 io为负向左移动，因此输出电流 io为负时，开关管 Sa导通的黄色脉宽会 Cpos上积累更多的电荷，造成更大的电压波动；与此同时，输时间段 Tb也向左移动，因此输出电流 io为正时，开关管 Sb导通，进而在电容 Cneg上积累更多的电荷，造成更大的电压波动。，电容 Cpos和电容 Cneg上的电压波动也比纯阻性负载下更大。

class-D 音频功放的前级变换器的音频功放系统进行了分析，消除了半桥 class-D 音频功放的电源泵，提高了该音频功放的性能。如图 2-6 所示，通过共用 Buck-boost 变换器和 Zeta 变换器的输入端开关管 S1和电感 L1构成的 SIBSO DC-DC 变换器可以实现单电压输入对称双极性输出，能够很好地应用于 class-D 音频功放的场合。但是传统的 Buck-boost 变换器和 Zeta 变换器均无法实现开关管的软开关，限制了该 SIBSO 变换器的高频化，降低了变换器效率。
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本文编号：2856273