基於市電的開關功放電路的製作方法
2023-05-22 02:53:16 2
基於市電的開關功放電路的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種基於市電的開關功放電路。該開關功放電路至少包括：用於將市電整流為直流電的整流電路；用於基於所述直流電來提供所需的共模電平的共模電平提供電路；用於基於所述直流電與所述共模電平來分別提供相互對應的正向脈寬信號與反向脈寬信號的PWM波形產生電路；用於基於所述共模電平及正反向脈寬信號來分別生成2路開關信號的開關信號生成電路；以及分別設置有受控開關的2路變壓電路，其每一路的受控開關接入1路開關信號，且各自基於各自的開關信號及所述直流電來向負載提供相應方向的電能以驅動負載。本電路集變壓和開關類功放於一身，而且系統結構非常簡單。並且使用的是開關類功放電路，效率也高。
【專利說明】基於市電的開關功放電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及功放領域，特別是涉及一種基於市電的開關功放電路。
【背景技術】
[0002]開關類功率放大器是一種高效率的功率放大器，在理想情況下，可以達到100%的效率。在這種功率放大器中，驅動電壓幅度足夠強(過驅動)，使得輸出電晶體相等於受控開關，在完全導通(電晶體工作在線性區)和完全截止(電晶體工作在截止區)之間快速切換，由於流過理想開關的電流波形和開關上的電壓波形不重疊，理想開關不消耗功耗，電源提供的直流功耗全部轉換為輸出功率，由此達到100%的效率。然而，實際電路由於開關管的狀態轉換中的功耗等因素，效率是難以達到100%。
[0003]正是由於開關類功率放大器的高效率，其在各類發射機中被廣泛應用，不過，現有各類開關類功率放大器所需工作電壓通常都不超過60V，而我國市電電壓為220V，由此，現有開關類功放電路均配置有降壓設備。而為了避免高頻幹擾，又常採用變壓器而不是開關電源來作為降壓設備。
[0004]例如，如圖1所示，其為一種常用開關類功放電路示意圖。該開關類功放電路I包括:將市電進行降壓的變壓器11、連接變壓器11的整流電路12、連接整流電路12的濾波電容13、以及連接在穩壓電容13的開關類功放本體14，該開關類功放本體14用於驅動負載15。
[0005]由上可見，由於變壓器是直接將市電降壓為開關類功放電路所需的低壓，而市電的頻率通常為50HZ或者60HZ，工作在如此低頻率，導致變壓器的線圈匝數較多，進而使得變壓器較為笨重，，因此，需要對現有開關類功放電路進行改進。
【發明內容】
[0006]鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種簡單而且效率高的基於市電的開關功放電路。
[0007]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基於市電的開關功放電路，其至少包括:
[0008]整流電路，用於將市電整流為直流電；
[0009]共模電平提供電路，用於基於所述直流電來提供所需的共模電平；
[0010]PWM波形產生電路，用於基於所述直流電與所述共模電平來分別提供相互對應的正向脈寬信號與反向脈寬信號；
[0011]開關信號生成電路，用於基於所述共模電平及正反向脈寬信號來分別生成2路開關信號，其中，該2路開關信號在同一時刻不會使各自控制的受控開關同時導通；
[0012]分別設置有受控開關的2路變壓電路，每一路的受控開關接入I路開關信號，各自基於各自的開關信號及所述直流電來向負載提供相應方向的電能以驅動負載。
[0013]優選地，所述共模電平提供電路包括降壓單元及連結所述降壓單元的放大單元；更為優選地，所述降壓單元包括由電阻、穩壓管及電容構成的電路；所述放大單元包括由電阻及運算放大器構成的具有負反饋的電路。
[0014]優選地，所述PWM波形產生電路包括:基於採樣及鏡像來獲得隨所述直流電變化而變化的兩第一比較電壓的第一電壓生成電路、基於所述共模電壓來提供第二比較電壓的第二電壓電路、以及基於兩第一比較電壓、第二比較電壓來生成兩路三角波信號的三角波生成電路。
[0015]優選地，所述開關信號生成電路包括比較電路及防止同時輸出2路能使受控開關導通的防死區電路；更為優選地，所述防死區電路包括與門與延時單元。
[0016]優選地，2路變壓電路包括具有2個原繞組、I個副繞組的變壓器。
[0017]如上所述，本發明的基於市電的開關功放電路，具有以下有益效果:能減小系統的複雜性，體積和重量，尤其省去了傳統笨重的50Hz或60Hz頻率的變壓器；此外，本電路是開關類的功放系統，效率特別高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1顯示為現有技術中的開關類功放電路示意圖。
[0019]圖2顯示為本發明的基於市電的開關功放電路示意圖。
[0020]圖3顯示為本發明的基於市電的開關功放電路的全橋整流後的輸出信號波形圖。
[0021]圖4顯示為本發明的基於市電的開關功放電路的PWM波形產生電路示意圖。
[0022]元件標號說明
[0023]I 開關類功放電路
[0024]11 變壓器
[0025]12 整流電路
[0026]13 濾波電容
[0027]14 開關類功放本體
[0028]15 負載
[0029]2 開關功放電路
[0030]21 整流電路
[0031]22 共模電平提供電路
[0032]221 降壓單元
[0033]222放大單元
[0034]23 PWM波形產生電路
[0035]24 開關信號生成電路
[0036]241 比較電路
[0037]242防死區電路
[0038]25 2路變壓電路
[0039]26 負載
【具體實施方式】
[0040]以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。
[0041]請參閱圖2至圖4。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，並非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的範圍內。同時，本說明書中所引用的如「上」、「下」、「左」、「右」、「中間」及「一」等的用語，亦僅為便於敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的範疇。
[0042]如圖所示，本發明提供一種基於市電的開關功放電路。所述開關功放電路2至少包括:整流電路21、共模電平提供電路22、PWM波形產生電路23、開關信號生成電路24、2路變壓電路25。
[0043]所述整流電路21用於將市電整流為直流電，其優選包括整流全橋及濾波電容C21，其通過整流全橋將市電AC整流成圖3所示的輸出信號，該輸出信號再經過濾波電容C21的濾波成普通的直流電VCC。
[0044]所述共模電平提供電路22基於所述直流電來提供所需的共模電平。
[0045]一種優選的共模電平提供電路包括降壓單元221及連接所述降壓單元221的放大單元222。
[0046]如圖2所示，該降壓單元221包括電阻Rl、R2、穩壓管及電容，其通過把整流電路21的濾波電容濾波後的直流電VCC經過電阻Rl和穩壓管，降壓成低壓電源，該低壓電源再經過2個電阻R2分壓，再經過電容去耦合濾除高頻信號，形成1/2電源VDD作為共模電平。
[0047]如圖2所示，所述放大單元222包括隔直電容、電阻R3、R4及運算放大器01，該運算放大器01的正向輸入端接入所述降壓單元221輸出端共模電平VC0M。所述放大電路22通過隔直電容把輸入信號Vin通過輸入電阻R3，反饋電阻R4和運算放大器01來完成前級信號的放大。
[0048]所述PWM波形產生電路23基於所述直流電與所述共模電平來分別提供相互對應的正向脈寬信號與反向脈寬信號。
[0049]其中，所述脈寬信號包括任何一種脈寬信號，優選地，包括但不限於三角波信號
坐寸ο
[0050]優選地，所述PWM波形產生電路23可包括:基於採樣及鏡像來獲得隨所述直流電變化而變化的兩第一比較電壓的第一電壓生成電路、基於所述共模電壓來提供第二比較電壓的第二電壓電路、以及基於兩第一比較電壓、第二比較電壓來生成兩路三角波信號的三角波生成電路。
[0051]例如，如圖4所示，其為一種優選PWM波形產生電路示意圖。在該PWM波形產生電路中，整流電路21輸出的直流電VCC通過電阻R5和R6分壓採樣，所述放大單元222的運算放大器01正端電壓為電阻R6的電壓VK6=VCC*R6/ (R5+R6)，可見，若直流電VCC升高，則電阻R6上電壓Vk6也隨之升高；反之，若直流電VCC降低，則電阻R6上電壓Vk6也隨之降低。接著，基於運算放大器01的反饋，電阻R7上電壓Vr7等於電阻R6上電壓VK6，則MOS管Ml的電流等於VK6/R7 ;再基於鏡像管M2、M3對MOS管Ml的鏡像，則流過鏡像管M2、M3的電流分別為VK6/R7和m*VK6/R7 ;再基於鏡像管M5對鏡像管M4的鏡像，其電流為m*VK6/R7 ;而b點電壓基於運放02對跟隨，b點電壓為VC0M，也就是電壓VDD。這樣a點電壓和c點電壓分別是 VC0M+R8*m*VK6/R7, VC0M_R8*m*VK6/R7。
[0052]假設剛開始時電容Cl的電平為O，這樣比較器COMl和COM2的輸出分別是0，I。開關SI打開，恆流源Il對電容Cl進行充電，當電容Cl的端電壓即信號PWMl電壓達到b點電壓，比較器COMl和COM2的輸出分別是1、1，則繼續對電容Cl進行充電，當電容Cl端電壓達到a點電壓，比較器COMl和COM2的輸出分別是1、0，則開關SI關閉，開關S2打開，通過恆流源12對電容Cl放電；當電容Cl的端電壓降至b點電壓，則恆流源Il對電容Cl，如此恆流充電和恆流放電，不斷循環，若11=12，則信號PWMl的波形就是一個三角波，上下拐點分別是a、b。與信號PWMl類似，PWM2的波形也是三角波，其上下拐點分別是b、c。可見，信號PWM1、PWM2各自的上下拐點的差值均隨電壓VCC的升高而升高、降低而降低。
[0053]所述開關信號生成電路24基於所述共模電平及正反向脈寬信號來分別生成2路開關信號，其中，該2路開關信號在同一時刻不會使各自控制的受控開關同時導通。
[0054]例如，如圖2所示，該開關信號生成電路24包括比較電路241及防止同時輸出2路能使受控開關導通的防死區電路242。
[0055]其中，比較電路241包括兩個比較器，一個比較器將運算放大器01的輸出信號與信號PWMl進行比較生成共模電平以上部分信號的匝空比信號(即正向信號);另一比較器將運算放大器01的輸出信號與PWM2進行比較生成共模電平以下部分信號的匝空比信號(即反向信號)。
[0056]其中，防死區電路242包括2路分別由與門與延時單元構成電路。該電路的目的是為了保證正向輸出和反向輸出不會同時輸出「1」，否則兩路輸出信號會使得兩個受控開關同時導通，導致連接受控開關的2路變壓電路同時工作，進而信號會有抵消。
[0057]該防死區電路242的基本原理如下,若左下端輸入信號為「I」時,右上端輸出信號此時還是「I」還沒有回歸「0」，這樣在經過反向器INV以及延遲單元Delay的延時後，輸出的緩衝信號為「0」，再經過與門And，由此，右下角輸出的信號則還是「O」 ；只有等到右上端輸出回歸到「0」，並且保持一段時間，該保持時間超過反向器INV、延遲單元Delay、與門And的延時時間，隨後，輸入與門And的信號均為「I」，右下端輸出信號才為「I」。
[0058]所述2路變壓電路25分別設置有受控開關，每一路的受控開關接入I路開關信號，各自基於各自的開關信號及所述直流電來向負載提供相應方向的電能以驅動負載。
[0059]如圖2所示，所述2路變壓電路25包括具有2個原繞組、I個副繞組的變壓器以及兩個MOS管作為受控開關。由此，經過整流電路21整流後的直流電VCC經過2個極性相反的變壓器源極形成迴路。這2個源極的開關分別由2個NMOS管開關決定，這2個NMOS管控制由防死區電路242輸出的2個開關信號控制，從而，經過變壓器在副邊分別感應出順時鐘方向和逆時針方向的電流來驅動負載26。
[0060]上述電路中，PWM波形產生電路23輸出的信號PWM1、PWM2的上下拐點的差值隨VCC電壓的升高而升高，降低而降低，再基於開關信號生成電路24的比較器，由此可保證系統的電源抑制比，也就說最終負載26上的平均電不隨市電的升高而升高，降低而降低。因為直流電VCC升高，負載26上的電壓信號匝空比變小了，直流電VCC降低，負載上的電壓信號匝空比變大了，由此形成一個負反饋。
[0061]綜上所述，本發明的基於市電的開關功放電路集變壓和開關類功放於一身，省去了傳統笨重的50Hz或60Hz頻率的變壓器，有效減小了系統體積和重量；而且，系統結構非常簡單。並且使用的是開關類功放電路，效率也高。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0062]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種基於市電的開關功放電路，其特徵在於，所述基於市電的開關功放電路至少包括: 整流電路，用於將市電整流為直流電； 共模電平提供電路，用於基於所述直流電來提供所需的共模電平； PWM波形產生電路，用於基於所述直流電與所述共模電平來分別提供相互對應的正向脈寬信號與反向脈寬信號； 開關信號生成電路，用於基於所述共模電平及正反向脈寬信號來分別生成2路開關信號，其中，該2路開關信號在同一時刻不會使各自控制的受控開關同時導通； 分別設置有受控開關的2路變壓電路，每一路的受控開關接入I路開關信號，各自基於各自的開關信號及所述直流電來向負載提供相應方向的電能以驅動負載。
2.根據權利要求1所述的基於市電的開關功放電路，其特徵在於:所述共模電平提供電路包括降壓單元及連結所述降壓單元的放大單元。
3.根據權利要求2所述的基於市電的開關功放電路，其特徵在於:所述降壓單元包括由電阻、穩壓管及電容構成的電路；所述放大單元包括由電阻及運算放大器構成的具有負反饋的電路。
4.根據權利要求1所述的基於市電的開關功放電路，其特徵在於:所述PWM波形產生電路包括:基於採樣及鏡像來獲得隨所述直流電變化而變化的兩第一比較電壓的第一電壓生成電路、基於所述共模電壓來提供第二比較電壓的第二電壓電路、以及基於兩第一比較電壓、第二比較電壓來生成兩路三角波信號的三角波生成電路。
5.根據權利要求1所述的基於市電的開關功放電路，其特徵在於:所述開關信號生成電路包括比較電路及防止同時輸出2路能使受控開關導通的防死區電路。
6.根據權利要求5所述的基於市電的開關功放電路，其特徵在於:所述防死區電路包括與門與延時單元。
7.根據權利要求1所述的基於市電的開關功放電路，其特徵在於:2路變壓電路包括具有2個原繞組、I個副繞組的變壓器。
8.根據權利要求1所述的基於市電的開關功放電路，其特徵在於:受控開關包括MOS管。
9.根據權利要求1所述的基於市電的開關功放電路，其特徵在於:所述整流電路包括整流全橋及穩壓電容。
【文檔編號】H02M5/458GK103532400SQ201310499989
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】金榮, 陳後鵬, 許偉義, 王倩, 宋志棠 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所