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1、 四川师范大学本科毕业设计500W数字功放的设计学生姓名*波院系名称物理与电子工程学院专业名称通信工程班 级2009 级 4 班学 号2009070454指导教师 *文完成时间2013年 5月 11 日500W数字功放的设计学生姓名：*波 指导老师：*文内容摘要：数字功率放大器，也称为D类音频功率放大器，是一种脉冲调制型放大器。它与传统的模拟音频功率放大器的主要差别在于功率晶体管的工作状态，即使用脉冲形式的信号来驱动高速的功率开关。本文主要包括技术指标分析、系统方案论证、电路设计与原理分析等部分。论文首先从数字功率放大器的市场分析入手，基于目前定压输出的大功率功放，着重研究应用于消防广播系统的
2、数字功放；根据系统结构，从分析数字功率放大器的效率入手，确定各子电路的性能指标要求，经过电路结构的选择和优化，最终完成前置放大器、三角波产生电路、比较器、MOS管驱动级、LC无源滤波和各种保护及显示等电路模块的设计，并对上述子电路和整个系统进行仿真然后制作出实物。实物测试结果表明这个数字功率放大器具有效率高、低功耗以及谐波失真低的特点，各项保护电路均满足消防功放的技术指标。关键词：数字功率放大器 高效率 PWM调制 H桥驱动Design Of Signal Processing Software SystemAbstract: Digital power amplifier, also kno
3、wn as Class D audio power amplifier is a pulse modulation amplifier.The main difference with the conventional analog audio power amplifier in that the working state of the power transistor, that the use of the form of the pulse signal to drive the high-speed power switching.This article consists of
4、the part of the technical indicators analysis, system demonstration program, circuit design and principles of analysis. The paper first analyzes the market from the digital power amplifier, digital amplifier used in fire radio system, focusing on the current constant voltage output of the power ampl
5、ifier; according to the system structure, starting from the analysis of digital power amplifier efficiency, to determine each sub-circuit performance requirements after the selection and optimization of the circuit structure, the final completion of the pre-amplifier, the triangular wave generating
6、circuit, a comparator, the MOS tube driver stage, LC passive filter, and a variety of protection and a display circuit module design, and the above-mentioned sub-circuit and the simulation of the entire system and then create the real thing. The physical test results show that the digital power ampl
7、ifier with high efficiency, low power consumption and low harmonic distortion, the protection circuit to meet the technical specifications of the fire power amplifier.Key words : Digital power amplifier high efficiency PWM modulation H bridge drive目 录1 绪论11.1课题概述11.2 D类功率放大器简介11.3 研究背景21.4论文研究目标和意义2
8、2 D类功率放大器的分析32.1其它类型的放大器的分析32.1.1 A类功率放大器的优缺点32.1.2 B类功率放大器的优缺点32.1.3 AB类功率放大器的优缺点32.2 D类功率放大器的原理32.2.1 D类功率放大器的构成32.2.2 D类功率放大器的工作原理42.2.3 D类功率放大器的性能参数42.3 D类功率放大器前景52.3.1 D类功率放大器的优缺点52.3.2 D类功率放大器的发展前景53 方案论证与设计53.1 总体设计分析53.2 方案的选择与设计63.2.1 高效率功放类型的选择63.2.2高效功放实现电路的选择63.3方案确定74 硬件电路设计84.1 原理分析84.
9、1.1 脉宽调制器94.1.2 前置放大器电路114.1.3 输入带通滤波电路124.1.4 驱动电路144.1.5 输出低通滤波电路154.1.6过温、过压、过载保护电路154.1.7散热电路和报警电路174.1.8紧急情况强切电路和音量、保护指示电路174.2 全局电路图194.3样机测试记录205 结论21致谢22参考文献22附录23500W数字功放的设计1 绪论1.1课题概述近几十年来在音频领域中，A类，B类，AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，其发展经历了这样几个过程：所用器件从电子管，晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形式从变压器到OTL，OCL，BTL形式
10、过程。其最基本类型是模拟音频功率放大器，它的最大缺点是效率太低。A类音频功率放大器的最高工作效率为50%，B 类音频功率放大器的最高工作效率为78.5%，AB类音频功率放大器的工作效率则介于两者之间。但是无论A类，B类还是AB类音频功率放大器，当它们的输出功率小于额定输出功率时，效率就会明显降低，播放动态的语言和音乐时平均工作效率只有30%左右。音频功率放大器的效率低就意味着工作时有相当多的电能转化成热能，也就是说，这些类型的音频功率放大器要有足够大的散热器。因此A类，B类，AB类音频功率放大器效率低，体积大，并不是人们理想中的音频功率放大器。而现在主流的D类音频功率放大器的功率器件受一高频脉
11、宽调制信号（PEM）的控制，使其工作在开关状态，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。本文则具体论述了一种基于MOS管的D类音频功率放大器的设计组成与实现方法。1.2 D类功率放大器简介传统的音频功率放大器工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作于线性放大区，功率耗散较大，虽然采用推挽输出，减小了功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍然对功率器件构成极大威胁，功率输出受到限制。此外，模拟功率放大器还存在以下的缺点：电路复杂，成本高。常常需要设计复杂的补偿电路和过流，过压，
12、过热等保护电路，体积较大，电路复杂、效率低，输出功率不可能做的很大。进入21世纪以后，各种便携式的电子设备成为了电子设备的一种重要的发展趋势。从作为通信工具的手机，到作为娱乐设备的MP3播放器，已经成为差不多人人具备的便携式电子设备。陆续将要普及的还有便携式电视机，便携式DVD等等。所有这些便携式的电子设备的一个共同点，就是都有音频输出，也就是都需要有一个音频放大器；另一个特点就是它们都是电池供电的。都希望能够有较长的使用寿命。就是在这种需求的背景下，D类放大器被开发出来了。它的最大特点就是它能够在保持最低的失真情况下得到最高的效率。高效率的音频放大器不只是在便携式的设备中需要，在大功率的电子
13、设备中也需要。因为，功率越大，效率也就越重要。而随着人们的居住条件的改善，高保真音响设备和更高档的家庭影院也逐渐开始兴起。在这些设备中，往往需要几十瓦甚至几百瓦的音频功率。这时，低失真、高效率的音频放大器就成为其中的关键部件。国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换。随着数字信号处理(DSP)和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。 简单地说，历史上出现
14、过三代D类放大器设计：第一代的范例是由托卡塔设计的TacTMillennium，证实了D类放大器的概念，但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代D类放大器向着实用性的方向发展。第二代D类放大器把一个用于模拟源信号的PWM信号和一个集成的输出级以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了AB类放大器，从而获得了一定的应用。第三代是最近一段时间，现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善，他们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了
15、生成精确的音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实现准确的功率分配。通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。最后还不能忽视新的架构技术。国内外一些从事数字信号处理的技术人员，专门研究音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的情况下，尽量压缩数据库。经过多次实验，终于将末级功放开关频率由没有压缩数据时的约2.8GHz减至小于100KHz，从而降低了对开关功放管的要求。同时在开关功率放大部分，采用了驱动缓冲器和平衡电桥技术，实现了在不提高工作电压的情况下能够输出较大的功率，并且设
16、计了完善的防止开关管击穿的保护电路。1.3 研究背景学习模电数电以来，设计过模拟功放，只了解了一些理论上的概念及分析方法，加上模电部分的不确定性，所以通过此次D类功率放大电路的设计，复习模电和数电，去应用理论并加深理解，学会分析问题，解决问题，并从中学些解决问题的经验。1.4论文研究目标和意义功率放大器是机电一体化产品中不可缺少的部分，也是其最基本的部分。功率放大器发展至今，有许多种类和应用，在工业方面，有在电力电子控制技术中的应用，有数控机床的电机驱动，也有应用于新型磁轴承开关。在通讯方面，有几百毫瓦的蜂窝电话发射机、有基站几十瓦的功率放大器、也有上千瓦的电视信号发射机。而它的设计包含了电子
17、电路技术、模拟控制理论、测试技术以及实现智能化的单片机控制技术等。因此以电子管音频功率放大器设计制作作为载体。实现兴趣与理论实践相结合，使整个设计过程不枯燥无味，从而既实现了对功率放大器的理论学习，又进行一次高性能智能型产品设计。同时，通过实际设计与制作，进一步发挥和巩固四年来所学的知识，在实践中锻炼自己的专业水平。2 D类功率放大器的分析2.1其它类型的放大器的分析2.1.1 A类功率放大器的优缺点A类放大器的主要特点是：放大器的工作点设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小
18、。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。 由于效率比较低 现在设计基本上不再使用。2.1.2 B类功率放大器的优缺点B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是交越失真较大。即当信号在-0.6V至 0.6V之间时， Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。2.
19、1.3 AB类功率放大器的优缺点AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率相对提高，晶体管功耗也较小。2.2 D类功率放大器的原理2.2.1 D类功率放大器的构成图 1 D类功率放大器的构成2.2.2 D类功率放大器的工作原理D类功率放大器的工作过程是：当输入模拟音频信号时，模拟音频信号经过PWM调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经脉冲推动器驱动脉冲功率放大器工作，然后经过功率低通滤波器带动扬声器发声。如图2 PWM（脉宽调制） 的工作原理：其中(a)为输入信号；(b)为三角波（锯齿
20、波）与输入信号进行比较的波形；(c)为调制器输出的脉冲(调宽脉冲)；(d)为功率放大器放大后的调宽脉冲；(e)为低通滤波后的放大信号。图 2 PWM（脉宽调制）的工作原理2.2.3 D类功率放大器的性能参数（1）最大不失真功率：3w150(RL=4，1KHz)（2）频率响应(3dB)：150Hz18KHz（3）信噪比：85dB（4）总谐波失真度：3（5）输入阻抗：10K（6）定压120V输出（7）安全方面符合国标GB88988的有关要求（8）电磁兼容符合国标GBl3837一1997的有关要求2.3 D类功率放大器前景2.3.1 D类功率放大器的优缺点D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高
21、频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100，实际电路也可达到8095。2.3.2 D类功率放大器的发展前景目前便携式消费类电子产品(如：手机、MP3、PDA、便携式GPS等)日益流行，这对电池工作时间和寿命的要求也日益增强，以效率高、低失真为特点的D类功率放大器就开始广泛地应用于这些产品中。D类放大器与线性音频放大器(如A类、B类和AB类)相比，在功效上有相当的优势。对于线性放大器(如AB类) 来说，偏置元件和输出晶体管的线性工作方式会损耗大量功率。而D类放大器的晶体管只是作为开关使用的，用来控制流过
22、负载的电流方向，这样输出级的功耗极低。D类放大器的功耗主要来自输出晶体管的导通阻抗、开关损耗和静态电流开销，这样使D类放大器对散热器的要求大为降低，甚至可省掉散热器，使得D类放大器在许多应用中具有显著的优势，节省印制电路板(PCB)面积和成本，并且能够延长便携式系统电池的寿命。综合种种因素考虑，D类功率放大器在未来的市场发展应用中将有一个很广阔的发展空间。3 方案论证与设计3.1 总体设计分析根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如下图所示。下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。图 3系统方框图3.2 方案的选择与设计3.2.1 高效率功放类型的选择方案一：采用A类、B类、AB类功率
23、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。D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100，实际电路也可达到8098，所以我们决定采用D类功率放大器。3.2.2高效功放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。 (a)脉宽调制器(PWM) 方案一：可选用专用脉宽调制集成块，但通常有电源电压限制。方案二：采用三角波产生器及比较器等集成芯片设计脉宽调制器，这样各部分的功能清晰，实现灵
24、活，便于调试。相比之下，选择本方案。 (b)高速开关电路 输出方式方案一：选用推挽单端输出方式(电路如图4所示)。电路输出载波峰-峰值不可能超过60V电源电压，最大输出功率远达不到题目的基本要求。图 4高速开关电路方案二：选用H桥型输出方式(电路如图5所示)。此方式可充分利用电源电压，浮动输出载波的峰-峰值可达120 V，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。图 5高速开关电路开关管的选择。为提高功率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
25、，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。（c）滤波器的选择方案：采用两个相同的二阶巴特沃兹低通滤波器，在保证40kHz频带的前提下使负载上的高频载波电压进一步得到衰减。3.3方案确定D类放大器的架构有对称与非对称两大类，在此讨论的D类功放针对的是对功率、效率都非常敏感的大功率应用，因此采用全电桥的对称型7放大器，以充分利用其单一电源、功率最大化化的特点。通过以上各方案论证D类放大器由PWM电路、开关功放电路及输出滤
26、波器组成，原理框图如图6所示。 它采用了由比较器和三角波发生器组成的固定频率的PWM电路，用输入的音频信号幅度对三角波进行调制，得到占空比随音频输入信号幅度变化的方波，并以相反的相位驱动上下桥臂的功率管，使功率管一个导通时另一个截止，再经输出滤波器将方波转变为音频信号，推动扬声器发声。采用全桥的D类放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并可减少干扰。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，可采用单电源供电。实现时，通常采取2路输出脉冲相位相反的方法。其输出电压是叠加变大的，经过低通滤波器后，仍存在较大的负载电流，特别当滤波器设计不好时，流过负载的电流就会更大，从而导致负载
27、损耗大，降低放大器效率。图 6系统组成框图音频输入信号前置放大三角波产生电路比较器（产生PWM波）驱动电路H桥互补对称放大4 硬件电路设计4.1 原理分析D类功率放大器如图7所示，其工作过程是：当输入模拟音频信号时，经过放大和滤波作为调制信号，555电路产生的频率为200KHz的三角波为载波信号，同时输入给LM311调制器变成与其幅度相对应脉宽的高频率PWM脉冲信号，经一个施密特触发器进行波形整形，将一路PWM信号变为两路互补对称的脉冲信号分别输入到IR2110的HIN,LIN两脚，使之能够有效快速的驱动功率开关管，经过H桥互补对称输出给LC低通滤波器，实现本系统的放大功能。最后截取音频输出信
28、号分别传递给LM339，TA7666P用于实现过压保护和音量指示电路；在末级供电电路中串联一个ACS712用于实现过载保护电路；在大功率芯片旁边添加一个温度传感器和风扇，用于监控功率芯片的温度，以实现过温保护功能；在音频输入端添加紧急强起功能，以实现在紧急情况下音量最大的输出状态。图 7 系统结构框图4.1.1 脉宽调制器（1）三角波产生电路。三角波产生电路和波形如图8所示，采用555芯片构成三角波发生器，利用T1、T2和R1构成恒流源对C1实现线性充电，利用T3、T4和R2构成的恒流源实现对C1的放电。电容C1上的三角波经V1同相跟随器输出。电路中电容C1选用漏电流很低的聚苯乙烯电容。电路工
29、作原理如下：接通电源瞬间，555芯片的脚输出高电平，二极管D3截止，D4导通，从而D2也截止，D1导通，电源VCC通过T1，T2，R1，D1对电容C1恒流充电，当C1上电压达到2VCC/3时，555芯片的输出发生翻转，即脚输出低电平，D3导通，D4截止，从而D1也截止，D2导通，电容C1通过T3，T4，R2，D2恒流放电，直到C1电压等于VCC/3为止，电容又开始充电，如此循环，则C1上可以得到线性度良好的三角波，输出加一级电压跟随器，以提高带负载能力。输出三角波频率的计算：电阻R1上电压等于T1的PN结压降Vbe=0.7V，故流过R1的电流i=0.7/300mA=0.233mA，忽略T1的基
30、极电流，则流过R1的电流即为T2的射极电流，也约等于T2的集电极电流，故C1的充电电流约为2mA，同理可得放电电流也为2mA，设充电时间为t1,放电时间为t2，则有 （1）可得三角波的周期 （2）故三角波的频率为 （3）该电路的特点是：利用恒流源对电容线性充放电产生三角波，其波形比方波经阻容电路或者积分电路得到的三角波失真度小。由方波直接经阻容电路得到的三角波波形是指数函数，由方波经积分电路得到的三角波波形是线性的，但是，积分电路存在积分漂移，得到的三角波中含有一定的直流分量，而且该直流分量与积分电路中积分电容的初始条件有关，是一个随机的量。常规的做法是在积分电容旁边加一个开关，当积分电路开始
31、工作时，先把开关按下给电容放电，让积分电容的初始电容为零，如此来控制积分电路的直流分量为零，其显然不容易实现，因而本系统采用的利用恒流源对电容充放电产生三角波是最好的方式。波形图如图9，因为电容C22容量误差，时实际产生的波形频率只有245KHz。图 8 三角波产生电路图 9 三角波实际波形图（2）比较器。常规PWM调制电路如图10上图所示，电路以音频信号为调制波，频率为250kHz的三角波为载波，两路信号均加上6V的直流偏置电压，通过比较器进行比较， 得到幅值相同， 占空比随音频幅度变化的脉冲信号。 比较器采用高速、精密的比较器芯片LM311。由于比较器芯片LM311的输出级是集电极开路结构
32、，输出端须加上拉电阻，为了与后级电路阻抗匹配，这里采用R2,R9分压结构，保证输出信号的Vpp在5V以下。芯片资料上的上拉电阻的阻值推荐阻值为1k，因而此处选用3K和2K配合使用，以实现LM311最优的性能。根据PWM调制原理，音频信号幅度应小于三角波信号的幅度，否则会产生峰值失真，这样解调出来的信号就会消定，产生破音，因此音频输入信号峰值电压应低于3.5V。其调制信号波形图如图10下图所示。图 10 比较器电路和测试波形4.1.2 前置放大器电路如图11所示。设置前置处理电路，其一采用专用音频隔离变压器，使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离，从而抑制高频杂波传入后级电路；其二一个固
33、定增益17.5倍的同相放大器，提升了输入阻抗的同时，也保证了比较器的比较精度。当功放输出的最大不失真功率为18W时，其8上的电压Vp-p=12V，此时送给比较器音频信号的Vpp值应为3V，则功放的最大增益约为5。因此必须对输入的音频信号进行前置放大，其增益应大于5。音频隔离变压器选用工作频率范围在1020000Hz的低频变压器，可以完全隔离两个系统间的电位差，避免由于接地问题造成的交流声干扰，防止过高的电位差对设备输入级的损害，实现音频信号的安全传输。前置运算放大器采用宽频带、低噪声运放NE5534，组成固定增益同相宽带放大器。选择同相放大器的目的是容易实现输入电阻Ri10k的要求。同时，要求
34、输入电阻Ri大于10k，故取R3 =10K，反馈电阻R12=50k，反相端电阻R15取10k，则前置放大器增益为Av=1+R12/R15=6倍。考虑到前置放大器的最大不失真输出电压的幅值Vom3.5V，取输入音频最大幅度Vim(Vom/Av)=3.5/6=583mV。超过此幅度则输出会产生削波失真。图 11 前置处理电路4.1.3 输入带通滤波电路如图13所示。电通滤波器主要起到将前置处理电路的信号进一步处理，虑除带宽以外的干扰信号，因为普通音乐信号带宽一般在150-15000Hz，因此本设计以它作为本系统带通滤波器的通带范围。根据巴特沃斯带通滤波器设计原理9，本带通滤波器通过双运放NE553
35、2分别设计了两阶低通和高通滤波器构成150-15000的带通滤波器。这里带通滤波器利用“TI”公司的滤波器设计软件FilterPro Desktop来设计。设计如图12（a）所示，为典型的巴特沃斯二阶有源低通滤波器。它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。图 12（a） 二阶低通滤波器电路图图12（b） 二阶低通滤波器电路仿真图电路性能参数：二阶低通滤波器的通带增益： （4）截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率： （5）品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状： （6）与低通滤波器相反，高通滤波器用
36、来通过高频信号，衰减或抑制低频信号。只要将图12（a）低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容互换，即可变成二阶有源高通滤波器，如图12（c）所示。高通滤波器性能与低通滤波器相反，其频率响应和低通滤波器是“镜象”关系，仿照LPH分析方法，不难求得HPF的幅频特性。图12（c） 二阶高通滤波器电路图电路性能参数Auf、f0、Q各量的函义同二阶低通滤波器。根据以上原理分析和参数计算方式，经过“TI”公司的滤波器设计软件FilterPro Deskto的验证，和Mutisim仿真，得到了如下图所示的电路图。图 13 带通滤波器4.1.4 驱动电路如图14所示。本设计为一个最大输出功率为500W大功率定压
37、数字功放，因而驱动电路显得尤为重要。本系统驱动器采用大功率变换装置中专用的IR2110用以驱动MOS管，实现500W的功率输出。美国 IR 公司生产的IR2110 驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中大功率变换装置中驱动器件的首选品种。IR2110 采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，DIP14 脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=50V/ns，15V 下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围1020V；逻辑电源电压范围（脚9）515V，可方便地与TTL，
38、CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有5V 的偏移量；工作频率高，可达500kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A，其完全满足本设计要求。因为IR2110 要求输入为互补对称的两路PWM信号，因此本设计采用HC04和HC08组成的施密特触发器实现，将LM311输出的PWM信号转换成两路互补对称的信号给IR2110，让其驱动大功率MOS管IRFP250,该MOS管VDS=200V，ID=33A, 当VGS = 10V, ID = 16A时，最大导通内阻为0.085；因而一个IRFP250至少能达到100W以上，又因为H桥输出功率为单桥输出
39、功率的4倍，因此本设计基本能实现400W以上的功率输出。图 14 驱动电路4.1.5 输出低通滤波电路如图15所示。本模块主要实现调制信号的解调，分别经两个2阶ButterworthLC滤波器滤波后推动喇叭工作。频率40 kHz，在通频带内特性基本平坦。采用了TI滤波器设计软件进行仿真，从而得到L122H，C27=0.68F。39.75kHz处下降2.464 dB，可保证40 kHz的上限频率 。完全满足要求。图 15 LC滤波电路4.1.6过温、过压、过载保护电路输出音频信号过压对开关功放造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏，还有当音频信号幅值超过三角波信
40、号时，会使调制信号出现失真，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输出音频信号的上限要有所限制，为此采用过压保护以提高功放的可靠性和安全性。温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2，可靠性下降10，温升50时的工作寿命只有温升25时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关功放中亦需要设置过热保护电路。图16是仅用一个4比较器LM339及几个分立元器件构成的过压、过热、应急保护电路。取样电压可以直接从输出端取得，它反映输入音频信号电压的变化，比较器共用一个基准电压，N1.1为预置欠压比较器，N1.2为过压比较器，调整R45可以调节过、欠压的
41、动作阈值。N1.3为过热比较器，RT1为负温度系数的热敏电阻，它与R7构成分压器，紧贴于功率开关器件IGBT的表面，温度升高时，RT阻值下降，适当选取R40的阻值，使N1.3在设定的温度阈值动作。N1.4用于外部故障应急关机，当其正向端输入低电平时，比较器输出低电平封锁PWM驱动信号。由于4个比较器的输出端通过74HC20四输入与非门并联的，无论是过压、欠压、过热、应急处理任何一种故障发生，比较器输出低电平，封锁IR2110驱动信号使功放停止工作，实现保护。图 16 过压、过温应急保护电路过载保护对于开关功放而言相当有必要，因为H型桥式驱动电路中经常容易出现直通现象，理论上而言，同一个桥臂的两
42、个开关管时互补关系，上桥臂是开通那么下桥臂则是关断的；反之上桥臂关断，则下桥臂就导通。但是如果给上下桥臂的驱动信号不是完全互补对称关系，则很可能造成上下桥臂同时导通和关断，这样的话就会在上下桥臂同时导通时使电流很大，烧坏功率管，因而在此加一个过载保护相当有必要。当然在本系统中，充分考虑了死区时间控制问题，在系统连续工作10天的测试中，还未出现H桥直通的现象。本系统中的过载保护主要应用于当负载超过500W时，造成供电电流过大，而强行切断电源，对系统进行保护。图 17 过载保护电路4.1.7散热电路和报警电路本系统中为了便于使用，特意加了散热处理电路，大家都知道，当芯片温度超过50时的工作寿命只有
43、温升25时的1/6，这样严重影响器件的工作性能，如果不及时散热就会造成恶性循环，器件温度温度越来越高，但是指标越来越差。出于这方面考虑，在功率芯片附近特意加了一个风扇，以及时散热。让系统工作在一个舒适的温度环境下。同时本系统还加了报警装置，当过压、过温、过载任何一种情况出现时，不但要启用保护电路，还启用报警设备，以方便提醒相关工作人员及时查找原因，解决问题。因为报警音很刺耳，当工作人员去处理设备时，声音一直存在会对人造成伤害，我又增添了消音设备，当维修人员前去维修时可以手动切断报警音（S5），然后再寻找问题。图 18 散热电路和报警电路4.1.8紧急情况强切电路和音量、保护指示电路为了扩大本功
44、放的适用范围，扩大市场，本系统中还增添了紧急情况强切电路；即在遇到火灾或者地震时，可以按下强切键（J1），让本设备以最大音量输出，以突然提升音量，让所有人都能清晰清楚的听见播报的积极情况和应急措施。本系统中的音量指示电路采用功放设备专用的音量显示芯片TA7666P，其外围电路简单，灵敏度高，其对数的音量指示算法，可以让人清晰明了的知道此刻的音量大小。保护指示灯可以让维修人员立刻找到出现故障的原因所在，方便维修人员找到故障，快速处理。图 19 （a） 紧急强切电路图19（b） 保护指示电路图 19 （c） 音量显示电路4.2 全局电路图出于专利考虑，本图部分地方已做修改，此图仅供参考。图 20全
45、局设计电路图图 21 电路板图4.3样机测试记录（1）通频带测试：因为一般音乐信号的频带在200Hz15KHz，所以本系统打算设计一个带宽在此范围内的滤波器，但因为电阻电容的电气参数差异，使本系统的通频带在200Hz17KHz，如表1对于整个系统而言，不影响音质，基本达到设计要求。如图22。表1 数字功放大器通频带测试数据输入信号频率/KHZ0.2051510151717.6输入信号电压峰峰值/mV600600600600600600600600输出电压峰峰值/V2.493.13.43.413.373.442.92.5增益4.155,165.675.685.6574.84.17（2）总谐波失真
46、率：在系统输入端用数字信号源输入一个600mV，1KHz正弦波信号，将系统输出端接到失真度测试仪的输入端，观测失真度测试仪的读数，并记录数据如表2。经过分析发现在输入电压幅度在200600mV之间时，其失真度基本在3%以内，当输入信号太大时，会使调制信号输入幅度超过载波信号，因而会产生失真，产生破音。这不满足调制器的工作条件，因而这是正常的现象，当输入幅度过大时，会使解调器无法还原之前的信号，造成波形畸变。表2 数字功放大器总谐波失真测试数据输入信号电压峰峰值/mV100200300400500600700800谐波失真度（%）43.12.72.52.52.35.97.1（2）最大不失真功率：经过泰和安科技有限公司的配合，我们将本机拿去建筑工地做测试。因为本产品主要用于广播系统，他的特点在于输出电压高，采用并联输出方式，以方便远距离传输，和挂载成百上千个扬声器，覆盖整个楼盘。本设备经过在龙城一号对面在建的一个楼盘测试，发现在挂载50个扬声器（4/3W）时，功率芯片微热，在挂载100个扬声器时，功率芯片开始发热
