电子设计大赛音频功率放大器

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1、摘要:在本文中的D类音频功率放大器的功率器件受一种高频脉宽调制信号关键字：（PEM Pulse Encode Modulation）的控制器工作在开关状态，理论上其效率可 以达到100%,但其不足之处在于会产生高频干扰及噪声，但是若精心设计低通 滤波器及合理的选择元器件参数，其音质噪声完全能够满足人们的需求。本系统 由ICL8038集成芯片构成三角波发生电路输出的三角波作为载波，经前置放大的 音频信号作为基波，比较得出的SPWM （正弦脉宽调制）波驱动开关管，采用H桥 互补对称输出电路，并有具有自恢复过温保护和自恢复输出短路保护功能。D 类放大器（class D amplifier ）、脉宽调

2、制器（pulse widthmodulator）、低通滤波器（lowpass）一、方案论证根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1所示。图1系统结构框图1、高效率功率放大器（1）高效率功放类型的选择方案一：采用A类、B类、AB类功率放大器。这三类功放的效率均达不到题 目的要求。方案二：采用D类功率放大器。数字式功率放大器，末级功率元件工作在数 字（开关）状态，具有效率高、功率密度大等优点，应用广泛。所以我们选择D类功率放大器。（2）高效D类功率放大器实现电路的选择本题目的核心就是功率放大器部分，采用何种电路形式以达到题目要求的性 能指标，这是关键。 脉宽调制器（PWM）方案一：可选用专用的

3、脉宽调制集成块，但通常有电源电压的限制，不利于 本题发挥部分的实现。方案二：采用三角波产生器及比较器分别采用通用集成电路，各部分的功能 清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下 工作。所以选择方案二。 咼速开关电路a.输出方式方案一：选用推挽单端输出方式如图2所示。电路输出载波峰-峰值不可能 超过12V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。方案二：选用H桥型输出方式。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波 的峰-峰值可达24V,有效地提高了输出功率，且能达到题目所有指标要求，故 选用此输出电路形式。所以选择方案二H桥型输出方式。b.开关管的选择。为提高功率

4、放大器的效率和输出功率，开关管的选择非 常重要，对它的要求是高速、低导通电阻、低损耗。方案一：选用晶体三极管、IGBT管。晶体三极管需要较大的驱动电流，并 存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较 大；IGBT管的最大缺点是导通压降太大。方案二：选用VMMOSFET管。VMOSFET管具有较小的驱动电流、低导通 电阻及良好的开关特性，故选用高速VMOSFET管。 滤波器的选择方案一：采用两个相同的四阶Butterworth低通滤波器。在保证20KHz频带 的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。但电感等消耗功率增大，很 难达到很高的效率。方案二：采用两个相同

5、的二阶Butterworth低通滤波器，可在20KHz内平滑 滤波，并能保证输出较高的效率故比较之下选择二阶Butterworth低通滤波器。综上所述，可得到如图3所示的高速开关和低通滤波电路_L图3高速开关和低通滤波电路2、信号转换电路的选择由于采用浮动输出，要求信号变换电路具有双端变单端的功能，且 增益为2/5。方案一：采用集成数据放大器，精度高，但价格较贵。方案二：由于功放输出具有很强的带负载能力，故对变换电路输入阻 抗要求不高，所以可选用较简单的单运放组成的差动式减法电路来实现。所以选择方案二3、功率测量电路方案一：直接用A/D转换器采样音频输出的电压瞬时值，用单片机 计算有效值和平均

6、功率，但算法复杂，软件工作量大。方案二：由于功放输出信号不是单一频率，而是20 KHz频带内的任 意波形，故必须采用真有效值变换电路。此方案采用真有效值转换专用芯 片，得到音频信号电压的真有效值。（原理框图如4图所示），软件工作 量小，精度咼，速度快。接音频输出信号真有效值踣变换电路单片机处理系统液晶显示图4功率测量电路二、主要电路工作原理分析与计算1、D类放大器的工作原理一般的脉宽调制D类功放的原理方框图如图5所示。图5D类放大器的工作原理2、D类功放各部分电路分析与计算(1) 脉宽调制器三角波产生电路。如图6所示，ILC8038是一种具有多种波形输出的精 密振荡集成电路,只需调整个别的外部

7、元件就能产生从0.001HZ300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比 还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端，所以可以 用来对低频信号进行频率调制。载波频率的选定既要考虑抽样定理，又要考虑电路的实现，选择150 kHz 的载波，使用二阶BultterworthLC滤波器，输出端对载频的衰减大于60dB，能 满足题目的要求，所以我们选用载波频率为150 kHz。比较器：选用LM311精密、高速比较器，电路如图7所示，因供 电为+12V，-12V双电源，为给V+=V-提供0V的静态电位，取R12=R15, R13=R14，4个电阻均取10kQ。

8、图7比较电路(2) 驱动电路IR2110双通道，栅极驱动高压高速功率器件，集成驱动芯片。特 点：工作频率可达500KHz,开通管段延迟小，分别是120ns,94ns.具有 防死区功能，其硬件图如图8所示。 自举电容设计(a) Qg充分导通所需要的栅极电荷(b) 悬浮驱动的最宽导通时间 自举二极管选择二极管承受电流是栅极与开关频率之积，反向漏电流的小的快恢复二极管。(3) H桥互补对称输岀电路H桥互补对称输出电路对MOSFET的要求是导通电阻小，开关速度 快，开启电压小。因输出功率稍大于1W,属小功率输出，可选用功率相 对较小，输入电容较小，容易快速驱动的对管IRF840的参数能够满足 上述要求

9、，故采用之。互补PWM开关驱动信号交替开启Q1和Q4或Q2 和Q3,分别经过两个二阶Butterworth滤波器滤波后推动滤波器。本电路采用二阶Butterworth低通滤波器，对滤波器的要求是上限 频率大于等于200KHz,在通频带内特性基本平坦。经过多次计算和匹配， 得 到了一 组较佳 的参数 Ll=30uH,L2=30uH,Cl=l.luF,C2=l.luF。 19.95KHZ处下降2.464dB，可保证20KHz的上限频率，且通频带内曲线 基本平坦。其硬件图如图3所示。3、功率测量及显示电路功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成。真有效值转换器选用高精度的AD637芯片（

10、图9），其外围元件少、频带 宽，精度高于0.5%。图9真有效值转换电路系统以单片机ATmegal6为核心部件，经AD637进行有效值变换后的模拟电 压信号送回单片机ATmega16，其内部的A/D转换器进行转换，并对转换结果进 行运算处理，最后送显示电路完成功率显示。AVR最小系统见附录二。4、短路自恢复保护电路短路自恢复保护电路如图10所示，由单片机控制继电器配合控制。正常工 作时，继电器不吸合，指示灯LEDO不亮。当8Q负载端出现输出过流，电流大 于2A时，AD637有效值转换大于V，单片机控制继电器得电吸合，电路中连入 1.6Q大功率电阻分流。从而降低负载电流，同时检测电路继续维持检测，

11、直到 负载端恢复正常，继电器恢复常态，达到自恢复的过流保护。当负载端出现短路 时，电流达到4A此时极容易对前端造成损害，应立即切断前端电路。此时采用 控制IR2110使能端的方法，控制其截止驱动开关，从而达到了短路保护的作用。5、过温保护电路采用18b20温度传感器时刻监测开关管的温度，达到温度保护的目的。图11温度保护电路图12软件流程图四、测试结果测试仪器：万用表2块 数字示波器1台函数发生器1台测量结果（1）最大不失真功率测试数据如下表所示：f20Hz125Hz500 Hz1k Hz5kHz6kHz6.3kHz7kHzVop-p / V2.642.7245.527.527.847.868

12、.4f10kHz12kHz14kHz15k Hz16kHz17kHz18 kHz20 kHzVop-p / V9.5212.913.81515.214.412.49.12（2）通频带的测量测试数据如下表所示: 由表看出通频带BW0.7fH20KHzVom f Vim-i20Hz125Hz500 Hz1k Hz5kHz6kHz6.3kHz7kHz500mV0.560.700.841.412.572.722.772.8610kHz12kHz14kHz15k Hz16kHz17kHz18 kHz20 kHz500mV3.484.135.065.184.814.504.043.05附录一：元器件清单及价格表元器件名称数量（片）单价（元）元器件名称数量（片）单价（元）ATmega16520AD6373302575-121035V继电器25OP37108液晶425OP2710518b20510IRF840205MAX8038250LM780555电感210LM311105按键101ICL7662104电容若干20IR21101010电阻若干1574LS0454导线若干10总额：1000元附录二：电路硬件原理图