[发明专利]闭环负反馈调制-解调开关功率放大器

说明书

技术领域

本发明属于开关功率放大器技术领域，涉及到放大器输入信号调制和开关脉冲信号产生以及开关功率输出信号解调的方法。本发明提供一种全新的输入信号调制和开关脉冲信号产生和开关功率输出信号解调的方法。

背景技术

开关功率放大器具有近乎100％的输出效率，而其它类型的功率放大器通常只有50％左右的输出效率，因而是一种高效节能的功率放大器，具有广范的应用市场。

目前市场上应用最多(如在变频器中)，技术最成熟的开关功率放大器是使用三角波对输入信号进行调制的方法，应用的是脉冲调宽原理，即输入信号被三角波调制后，产生一系列占宽比对应于输入信号幅度的柜形脉冲波，在开关功率输出端，由于输出的是高频率的等高不等宽的柜形波，它与输入信号的波形(如正弦波)儿乎毫无相似之处，因此需要进行解调，解调的方法一般是采用无源滤波器对其进行滤波处理，以得到与输入波形相似的输出，因而这种开关功率放大器的输出失真度很大，只能应用在象变频器这类要求比较低的产品上，不能应用于象音频功率放大器这类要求失真度很小的产品中。现在虽然也有一些类型的开关功率放大器在失真度上有较大的改善，但技术复杂，成本高，难于推广使用。

发明内容

本发明提供一种电路简洁，成本低，失真度小，应用面广的高效率开关功率放大器，很好的解决了上述问题。

本发明采用了从功率放大器的输出端反馈信号回到输入端对输入信号进行调制，是一种不同于传统开关功率放大器所采用外设三角波发生器对输入信号进行调制的新方法，并且放大器的功率输出信号的解调也是通过反馈信号对输入信号进行即时调控(调制)来进行，因而调制中包含了解调的因素，解调通过调制来进行，调制和解调被负反馈有机地连系在一起进行。这不仅节省了一个三角波发生器，并且因为它是一个闭环深度负反馈放大器，所以放大信号具有很小的失真度，这就是闭环负反馈调制-解调开关功率放大器不同于其他开关功率放大器的特征。

本发明的电路部分由误差放大器、施密特触发器、开关放大器、解调电感器和反馈网络构成一个闭环负反馈调制-解调开关功率放大器，其结构如图1所示。其工作原理是：输入信号在误差放大器中与反馈信号进行对比，两个信号之间的微小差值被放大，放大倍数为误差放大器(一般为运算放大器)的开环增益，当误差放大器输出的差值电压上升到施密特触发器的触发电位上限值时，触发施密特触发器的稳定态发生翻转，从“0”稳态翻转为“1”稳态，输出的脉冲电流激励开关放大器中的功率开关管导通并达到饱和，开关管上的饱利压降很小，因此开关管上的电能损耗很小，输出效率很高，电源电压几乎全部加载到解调电感器的输入端。解调电感器的作用就是要把从开关放大器输出的断断续续矩形波还原成与输入信号一样的连续平滑的波形，其工作过程是利用电感器的感抗作用，把开关管导通时输出的电源电压分担一部分，使加载到负载上的电压与输入信号相对应，并且把分压时所截甾的电能转化成磁能储存起来，在开关管截止输出时再把储存的磁能转化成电能释放出来以维持对负载的连续输出。而解调电感器的这种工作过程是受负反馈的精确控制的，当功率开关管导通时，通过电感器的电流就按电路指数快速上升，输出到负载上的电压也随电路指数快速上升，因此反馈到误差放大器的反馈信号电压也在快速上升，由于反馈信号的上升率总是大于输入信号的上升率，因此反馈信号与输入信号之间的电压差在减小，误差放大器输出的触发信号电压也会随之下降，当触发信号电压下降到施密特触发器的设定下限时，施密特触发器的稳定态从“1”态翻转为“0”态，输出电流为0，这时功率开关管截止，切断了电源供给，但这时放大器对负载的输出并不立刻中断，而是把原先分压时储存在电感器中的电能释放出来维持输出，这时随着电感器中的能量被释放而衰减，输出电压会快速下降，反馈到误差放大器的反馈信号也在快速下降，因此反馈信号与输入信号的差值就会再次拉大，这时误差放大器输出的差值电压又会上升，当误差放大器输出的差值电压再次上升到施密特触发器的设定上限值时，施密特触发器的稳定态再次发生翻转为“1”态，开关功率管再次导通……，上述过程的新一轮循环又开始反复进行。在放大器工作的循环运行过程中，功率输出和反馈信号总体上跟随着输入信号相同变化，两者的差异仅在于反馈信号存在一种由于高频率地开关电源导致电感器反复地扼流和继流而产生微小的高频波动，这种高频波动的幅度小于毫伏级别，约等于施密特触发器的上下限触发电位的回差值除于误差放大器(运算放大器)的开环放大倍数，相对于几伏甚至于几百伏的输出电压来说影响是非常小的，因此本发明的开关功率放大器输出失真度是非常小的。