一种基于pwm的开关功率放大器的设计
(完整word版)pwm开关型功率放大器
电力电子技术课程设计报告题目PWM开关型功率放大器的设计专业电气工程及其自动化班级电气学号学生姓名指导教师2008 年春季学期一、总体设计1．主电路的选型（方案设计）经过对设计任务要求的总体分析，明确应该使用电力电子组合变流中的间接交流变流的思想进行设计，因为任务要求频率是可变的，故选择交直交变频电路（即VVVF电源）。
交直交变频电路有两种电路：电压型和电流型。
在逆变电路中均选用双极性调制方式。
方案一：采用电压型间接交流变流电路。
其中整流部分采用单相桥式全控整流电路，逆变部分采用单相桥式PWM逆变电路，滤波部分为LC滤波，负载为阻感性。
电路原理图如下所示：方案二：采用电压型间接交流变流电路。
其中整流部分采用单相全桥整流电路，逆变部分采用单相桥式PWM逆变电路，滤波部分为LC滤波，负载为阻感性。
电路原理图如下所示：方案三：采用电压型间接交流变流电路。
其中整流部分采用单相桥式PWM 整流电路，逆变部分采用单相桥式PWM逆变电路，滤波部分为LC滤波，负载为阻感性。
电路原理图如下所示：分析：方案一中整流电路与逆变电路都采用全控型可以通过控制a角的大小来控制Ud的大小。
方案二中的整流电路是单相全桥整流电路，属于不可控型。
Ud大小不可变。
方案三采用双PWM电路。
整流电路和逆变电路的构成可以完全相同，交流电源通过交流电抗器和整流电路联接，通过对整流电路进行PWM控制，可以使输入电流为正弦波并且与电源电压同相位，因而输入功率因数为1，并且中间直流电路的电压可以调整。
但由于控制较复杂，成本也较高，实际应用还不多，故此处没有选用。
经过分析我选用了方案一。
其中控制部分采用双极性PWM波控制触发，从而控制负载电流和电压。
由于逆变部分采用电压型逆变电路，所以当选用电阻性负载时其电流大致呈正弦波，电压呈矩形波。
2. 总体实现框架二、主要参数及电路设计1. 主电路参数设计 由已知条件可得负载端的电流A i U P 5100500===, 电阻205100===i U R Ω。
基于PWM和Sigma_Delta调制的数字音频功率放大器的实现
基于P WM 和S i g ma 2D elt a调制的数字音频功率放大器的实现彭振兴,林 涛(同济大学超大规模集成电路研究所,上海市200092)【摘 要】 介绍了一种新型的功率放大器,通过Sig ma 2Delta 调制和P WM (脉宽调制)技术,将音频数字信号转换成P WM 信号,经外接的模拟低通滤波器还原出原始的音频信号。
该功率放大器在保持高品质声音的同时能够极大地提高电源的使用效率。
分析了信号处理过程中非线性误差产生原因,提出了相应的纠正措施,还介绍了P WM 和高阶Sig ma 2Delta 调制器的设计及实现方法。
关键词:音频功率放大,脉宽调制(P WM ),过采样,Sig ma 2Delta 调制中图分类号:T N727.7收稿日期:2005206215;修回日期:2005210213。
1 数字功率放大器传统的音频信号功率放大多是通过模拟线性功率放大器实现的,对于模拟音频信号可以直接进行放大,而对于数字信号则必须通过D /A 转换电路将数字信号转换成模拟信号再进行功率放大,在将数字信号转换成模拟信号后,模拟信号很容易受外界的影响,引起的信号失真经过放大器后也得到了放大,信号失真更加严重。
线性功率放大器根据工作状态一般分为甲类、乙类、甲乙类等。
数字功率放大器可将数字音频信号直接转换成能够驱动负载(如扬声器)的模拟信号,这类音频功率放大器具有极低的功耗。
研究发现,传统的功率放大器,电源的使用效率一般不会高于60%,而数字功率放大器的电源使用效率却能够达到80%～90%。
数字功率放大器的基本结构如图1所示。
图1 数字功率放大器基本结构输入的PC M 音频信号经过过采样插值滤波后,进入调制器转换成P WM (脉宽调制)信号,P WM 信号可以用来控制输出端的开关型功率MOSFET,功率管产生一个大能量的P WM 信号,该信号的电压值由电源电压决定,电流值由负载阻抗和电路形式决定,经带宽为20kHz 低通滤波器还原成原来的模拟音频信号。
脉冲宽度调制型功率放大器的原理
脉冲宽度调制型功率放大器（PWM Power Amplifier）是一种应用广泛的功率放大器，在许多领域都有着重要的作用。
它通过调节信号的脉冲宽度，来控制输出信号的功率。
在这篇文章中，我们将深入探讨脉冲宽度调制型功率放大器的原理，以及其在各个领域的应用。
1. 脉冲宽度调制型功率放大器的基本原理脉冲宽度调制型功率放大器是一种非线性功率放大器，其基本原理是通过控制输入信号的脉冲宽度，来控制输出信号的功率。
在PWM功率放大器中，输入信号通常是一个脉冲信号，其脉冲宽度的变化会直接影响输出信号的功率。
2. PWM功率放大器的工作过程在PWM功率放大器中，输入信号的脉冲宽度是通过开关管或其他调制器件来控制的。
当输入信号的脉冲宽度增大时，开关管的通态时间增加，输出信号的功率也随之增大。
反之，当输入信号的脉冲宽度减小时，输出信号的功率也减小。
通过控制脉冲宽度，可以灵活地调节输出信号的功率。
3. PWM功率放大器的优点和应用PWM功率放大器具有功率利用率高、输出波形质量好、成本低廉等优点，因此在工业控制、通信系统、音频放大器等领域都有着广泛的应用。
在工业控制中，PWM功率放大器常常用于驱动电机、控制照明等；在通信系统中，PWM功率放大器则常用于调制信号的功率放大；在音频放大器中，PWM功率放大器可以提供高保真度的音频输出。
4. 个人观点和结论在我看来，脉冲宽度调制型功率放大器作为一种非常重要的功率放大器类型，在现代技术应用中具有着不可替代的地位。
它不仅在工业控制、通信系统、音频放大器等领域发挥着重要作用，同时也通过其高功率利用率、优质的输出波形等特点，为现代技术的发展提供了强大的支持。
总结而言，脉冲宽度调制型功率放大器的原理是通过调节输入信号的脉冲宽度来控制输出信号的功率。
它在各个领域都有着广泛的应用，且具有诸多优点。
相信随着技术的不断进步，脉冲宽度调制型功率放大器将会在更多的领域发挥作用，为人类社会的进步做出更多的贡献。
脉宽调制型(PWM)功率放大器
• 负载是直流电动机时，PWM功放输出 电压 U D u U U ρ = u K u o= a v= D i= i U i m
• 负载是直流电动机时，PWM功率放大器 等效为比例环节。
思考题 • 若PWM功率放大器的负载是纯电阻， 输出量是电功率或电阻产生的热量， 它还能起到调节和放大器的作用吗？ 为什么？
d i U EU E D D a i () t= ( I ) e u = R i+ L + EU =D a 0 A B aa a R R d t a a
U -E ia(t) : I0 D场能增加。
电 动 机 状 态 ： 0 << t t 1
TT 、 截 止 ，减 i ( t )小 。 2）t1< t <T 1 4 a ia : AB • 只有D2和D3正常导通。
R - at L a
• 电源吸收电能， 电流减小，磁场能减小。
3 说明 (1) 0<t<t1 (T< t <T+ t1)，T1、T4 正 向基极偏压，但UCE=-0.7V ，故不导通。 (2) 若无D1、D4 ， T2、T3 截止时将被击穿。
0 ,( it , I 0 , U E 。 3.轻载状态 T e m a)0 a v a v • 电流有正有负，上述两个状态中的四种 情况，在一个周期内 交替出现。
• 开关式功放的晶体管主要工作在 饱和与截止状态，晶体管起开关作用。 • 开关式功放以断续供电代替连续供电。 一般说，电机连续运转，需要连续供电。 • 用断续供应的方式，能满足对电能的 连续性的需要? • 实际当中，用断续供应的方式， 来满足对物质和能量的连续性的需要， 司空见惯。…
• 用断续供应的方式，代替连续供应， • 关 键 ： 要有储存的仓库。 • 断续供电方式满足对电能的连续要求， 关健是要有贮存能量的仓库。电机？ • 电机电感贮存磁场能，Li2/2 。 • 供电时利用电机电感贮存磁场能， • 断电时利用电机电感的磁场提供电流。 • 对电机，可以采用断续供电方式。
PWM型D类音频功率放大器的设计
引言D 类放大器是一种具有极高工作效率的开关功率放大器，被放大的信号并非为直接输入信号，而是经采样变换为脉宽变化的开关信号，使功率开关管均处于开关状态。
理想状态下，功率开关管导通没有电压降，关断时没有电流流过，效率可达100%.但实际中，由于受器件限制（如开关速度、漏电流、导通电阻不为零等）和设计上的不完善，其实际效率通常可达到90% 以上，同线性放大器相比，具有较大的优势，目前已经在一些高档产品中得到应用并投放市场。
本文设计的D 类音频功率放大器主要基于以下三个方面考虑：保证高保真度、提高效率和减小体积。
1 D 类音频功放的系统设计本文所设计的D 类音频功率放大器的系统结构如图1 所示。
该放大器结构是基于双边自然采样技术方案实现的，在任一时刻输出所包含的信息量都是单边采样方案的两倍，通过双边自然采样还可以把输出音频信号中大量的失真成分移除到人耳所能感应到的音频带宽范围之外，达到去除D 类音频功率放大器输出端低通滤波器的目的。
图1 D 类音频功率放大器结构系统采用单电源供电，脉冲信号“out1”和“out2”的高低电平分别为VDD 和GND，输入放大级由运算放大器OTA 的闭环结构实现，误差放大器则由运算放大器OTA 与电容Cs 构成。
系统工作时，音频输入信号Vin 首先经过输入放大级后输出两路差分信号，再与反馈信号求和送到误差放大器中产生误差信号VE1、VE2，对三角波载波信号VT 进行调制，输出两路脉冲信号“out1”和“out2”以驱动扬声器发声。
系统包含两个反馈环路，第一个由R1、Rf1 和OTA 组成，用来设置输入放大级和整个D 类音频功率放大器的增益，第二个由R2、Rf2 和后端音频信号处理电路组成，用来减小系统的THD 指数。
在图1 中，对电容Cs 充放电的电流I1、I2 由Vout1、Vout2、Vin、R1、Rf1、R2 和Rf2 共同决定，其中电阻和电容必须具有良好的线性度和匹配性，以获得良好的闭环性能。
音频功率放大器（课程设计报告）
1 概述在介绍音频功率放大器的文章中，有时会看到“THD+N”，THD+N是英文Total Hormonic Distortion +Noise 的缩写，译成中文是“总谐波失真加噪声”。
它是音频功率放大器的一个主要性能指标，也是音频功率放大器的额定输出功率的一个条件。
THD+N性能指标THD+N表示失真+噪声，因此THD+N自然越小越好。
但这个指标是在一定条件下测试的。
同一个音频功率放大器，若改变其条件，其THD+N的值会有很大的变动。
这里指的条件是，一定的工作电压VCC(或VDD)、一定的负载电阻RL、一定的输入频率FIN（一般常用1KHZ）、一定的输出功率Po下进行测试。
若改变了其中的条件，其THD+N值是不同的。
例如，某一音频功率放大器，在VDD=3V、FIN=1kHz、RL=32Ω、Po=25mW条件下测试，其TDH+N=0.003%，若将RL改成16欧，使Po增加到50mW，VDD及FIN不变，所测的TDH+N=0.005%。
一般说，输出功率小（如几十mW）的高质量音频功率放大器（如用于MP3播放机），它的THD+N指标可达10-5，具有较高的保真度。
输出几百mW的音频功率放大器，要用扬声器放音，其THD+N一般为10-4；输出功率在1～2W，其THD+N更大些，一般为0.1～0.5%.THD+N这一指标大小与音频功率放大器的结构类别有关（如A类功放、D类功放），例如D类功放的噪声较大，则THD+N的值也较A类大。
这里特别要指出的是资料中给出的THD+N这个指标是在FIN=1kHz下给出的，在实际上音频范围是20Hz～20kHz，则在20Hz～20kHz范围测试时，其THD+N要大得多。
例如，某音频功率放大器在1kHz时测试，其TDH+N=0.08%。
若FIN改成20Hz-20kHz,，其他条件不变，其THD+N变为小于0.5%。
输出额定功率的条件过去有用“不失真输出功率是多少”这种说法来说明其输出功率大小。
计算机控制的PWM放大器的设计
第 ９卷 第 １期 ２０ ０ ７年 ３月
衡 水 学 院 学 报
Ｊｕ ｎ ｌｏ ｎ ｓ ｕ ｉｅｓｔ ｏ ｒａ ｆＨｅ ｇｈ ｉＵｎｖｒｉ ）
Ｖｏ ． １ ９．Ｎｏ １ ． Ｍａ ． Ｏ ７ ｒ２ Ｏ
计 算机 控 制 的 Ｐ ＷＭ 放 大 器 的设 计
定量分析及设计 ， Ｐ 以 ＷＭ功率放 大器替代伺服 系统 中普遍使 用的 电机扩 大机 ， 从局部上改 变伺服 系统的结构 ， 高整个 系统 提
的技 术含 量 和 各 项 性 能 指 标 ．
关 键词 ： 计算机控制；Ｗ Ｐ Ｍ放大器； 建模
中图分 类号 ：Ｎ９２ Ｔ １Ｂｐ ｌ ｒｎｉｏ ， Ｉｓｌ ｅ ａ ｉｏａ Ｔａ ｓ ｔ 简称 Ｉ Ｂ ） ４个 ｔ ｅ ｒ ｓｒ ＧＴ和 Ｍ５ ９ ２ ７ ６ Ｌ来 完成 ．
＿ ３ ． ８Ｖ， ２ １ ５ 可选 Ｕ ＝ ５ ． ｓ ２ ０ Ｖ
Ｐ ＷＭ 功率转 换 电路 由 ４只大 功率绝 缘栅 双极 晶体管 ２ ＩＢ Ｇ Ｔ管 的选 取 已知 伺 服 电动 机 的 电动 机 的最 大 电流 ，一 ＝ ａ
作者简介 ： 赵艳（ ９ １一） 女 ， １７ ， 河北永年县人 ， 河北经贸大学信息技术学院实验师
维普资讯
第１ 期
赵
艳， 等
计算机控制 的 Ｐ ＷＭ 放大器的设计
９ ｌ
要保证冗余 ， 其额定电流要大于最大电流 的 ２倍 ， 两方 面进 行选 择 ， 即 现取 ＝１ Ｈ ． ０ｋ ｚ
赵 艳 刘 金 霞 ，
０ ０ ６ ；． ５０ １２ 衡水学 院分 院 数理系 ， 河北 衡水 ０ ３０ ） ５０ ０
（． １河北经 贸大学 信息技术学院 ， 河北 石家庄
HPA2801型功率放大器与TMS320F28335的PWM接口设计
HPA2801型功率放大器与 TMS320F28335的 PWM接口设计摘要：本文介绍了TMS28335与HPA2801功率放大器的接口设计,详细介绍PWM波形的产生原理以及软件设置，由于该功率模块中设有死区控制，避免了通过软件进行死区计算的繁琐，实现简单，系统可扩展性强，通过在CCS 环境下编程、调试, 得到了满意的实验结果, 验证了该接口设计的正确性。
关键词：伺服控制功率放大器电平转换一：引言脉冲宽度调制（PWM）简称脉宽调制。
它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压，通过改变周期来控制其输出频率，广泛应用于测量、通讯、功率控制与变换等许多领域。
TMS320F28335 高性能DSP处理器的EVA模块可以生成ePWM波形【2】，ePWM的使用有很多种用法，有时间基准同步输入和输出、多路ePWM波形的多路同步触发或异步控制、死区设置、以及事件触发等功能，还有寄存器映射和之间的相互交叉设计以及参数的计算，对初级使用者很容易混淆，本文介绍了一种简单的产生ePWM波型的设置计算与编程，该方案已成功应用到多个控制系统中，使用方便，易于理解。
二：TMS28335的PWM介绍TMS320F28335【6】是一款高性能、多功能、高性价比32 位浮点DSP。
该器件最高可在150MHz 主频下工作，片上集成丰富的外设，其中包括16 路ePWM 输出，两个ePWMxA和ePWMxB,根据需要可以如下配置：1:两个独立单边操作的ePWM输出2：两个独立双边对称操作的PWM输出3：一个独立的双边不对称操作的PWM输出。
还可以设置信号之间的同步，而且每个ePWM都有两个ADC转换启动信号，可以启动ADC的排序器，触发中断等功能，在此不做描述。
三：TTL型功放HPA2810的介绍以及与TMS28335的硬件接口设计本系统中采用两个独立单边操作的ePWM输出，以ePWM3A输出为例来具体描述如何产生PWM波形，以及通过HPA2810功率放大器来控制直流电机完成伺服控制功能。
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一种基于PWM的开关功率放大器的设计
一、前言
振动测试系统是模拟某种产品的实际使用环境，在产品出厂前检验其结构特性和可靠性，这对于新产品开发起着重要作用，因此，被广泛应用于军事，自动化，半导体，汽车，航空航天等行业。
采用开关功率放大器的电动式振动测试系统是目前应用广泛的一种振动
试验系统。
通常能提供正弦、随机和冲击试验环境，它的频率范围广，动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。
功率放大器是电动振动试验系统的重要组成部分，其性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能。
功率放大器发展到现在已经历了3代：电子管功率放大器、晶体管线性功率放大器及开关功率放大器。
目前电子管功率放大器已经很少使用，晶体管线性功率放大器效率通常只有50％左右，而其他的能量则转化为热能，不但效率低，而且散热是个很大问题。
开关功率放大器如果采用功率场效应管（PMOSFET），则损耗很小，效率可达到90％，发热少，冷却设备简单。
由于开关功率放大器输出电压容易调节，且电流的波峰系数较大，这样就可以直接与振动台耦合，而不需要输出变压器。
而且PMOSFET的开关频率高，因此放大器体积小，功率密度大，容易实现模块化。
本文应用PWM技术设计并实现了5kW的功率放大器模块。
由于采用PMOSFET，开关频率达到50 kHz,体积比较小，效率高。
输出电感铁芯采用钻基非晶合金，频率响应范围广。
2主电路设计2.1主电路结构
开关式功率放大器主电路结构如图1所示。
三相交流电经过工频变压器隔离、降压送入三相全桥滤波器，然后通过电容滤波得到低纹波直流电源V in。
主电路由4只PMOSFET组．成一个全桥变换器。
输出的电压波经过常模和共模扼流线圈滤波后输出到振动台。
开关功率放大器输出正弦波（5Hz～5kHz）或随机波形。
采用提高开关频率的方法来抑制谐波虽然有效，但是会增加PMOSFET的开关损耗，从而导致变换器的效率下降。
本文采用倍频PWM技术，即三角载波的频率为100 kHz,而MOSFET的开关频率为50 kHz,这样不仅能够有效地降低谐波，而且也可以减少开关损耗。
变换器工作时，同一个桥臂上的MOSF ET交替导通，当Q1，Q3同时导通时输出为零，只有对角线上的Q1，Q4或Q3，Q2同时导通时才输出电压波形。
二、控制逻辑
由于开关功率放大器是通过输入信号来改变输出结果的，所以是开环控制。
其控制逻辑如图2所示，由载波发生，调制信号，比较单．元和延时单元组成。
载波是频率为50 kHz三角波，由模拟振荡电路获得。
调制信号由振动台控制系统给定，滤波后送到比较器的同相端。
载波以及反相的载波分别送到比较器的反相端。
调制后的信号通过一个由RC电路和与非门组成的延时单元，防止同一桥臂的MOSFET的直通，最后经过缓冲器到驱动电路。
三、驱动电路
变换器输出电流有效值为50 A,输出电压有效值为100V。
采用IR公司的HEXFET IRFP250N，VDS＝200V，ID＝30A，开关频率大于100kHz。
考虑到能提供一定的裕量和过载能力，每个桥臂用4只MOSFET并联。
驱动电路原理如图3所示。
四、输出滤波电路设计
开关功率放大器中MOSFET的导通和关断，电容的充放电都产生很强的电磁干扰。
为了减少EMI发射量以及避免外部干扰对本机的影响，输出滤波电路非常关键。
输出滤波电路如图4所示。
图4中L l，L2和C ol用来减少常模干扰，而L3，C o2和C o3用来减少共模干扰，其中L l=L2，C o2=C o3。
功率放大器输出最高频率为5kHz,可以选择截止频率为10kHz,则L1和L2可由下式计算
C ol由两个2.2μF的高频薄膜电容并联所得，计算可知，L l和L2取30μH。
C a2和C o3则取0.22μF的高频薄膜电容，截止频率为10kHz，计算可知，L3取
1.15mH。
非晶态合金具有软磁性能好，强度和硬度高，韧性、耐蚀性和耐磨性好，饱和磁密度高，矫顽力小，电阻率高，损耗小等特点，适宜电抗器和高频开关电源变压器。
考虑到开关功率放大器的输出频率范围较宽（5Hz～5kHz），所以铁芯采用钻基非晶合金。
饱和磁密达到1.54T，磁导率达到100 kH／m，而且损耗小。
另外，在进线和出线上添加磁环，可减少噪声。
五、监控电路设计
图5是监控系统的原理框图，核心是Atmel公司的8位单片机AT89C52,主要功能是监测模块状态，检测输出电压电流以及故障显示。
模块的故障信号经过RS触发器保持后送到单片机。
对输出电压和电流进行电阻取样，然后经过A/D转换送到单片机。
单片机另一作用是管理液晶显示器，该显示器的显示方式为中文显示，主要内容包括输出电压电流值、故障、系统的运行状态等。
七、结论
试验证明，采用全桥PWM技术的开关功率放大器具有效率高（大于90％），体积小，失真度低，信噪比高，容易实现多机并联使用，大大提高功率放大器的总容量。
本文研制的功率放大器，已应用在电动振动台系统中，具有较好的应用前景。