E类功率放大器的一种优化设计方法

JournalofLuoyangInstituteofTechnologyVol.21No.1March2000

文章编号:1000-5080(2000)01-0061-04

E类功率放大器的一种优化设计方法

张　涛,梁文林

(洛阳工学院电气工程系,河南洛阳471039)

摘要:从提高效率的目的出发,针对E类功率放大器的工作状态进行了理论分析,利用ICAPCAE电路仿真软件,提出了一种E类功率放大器电路参数的优化设计方法。应用该方法对一种800kHz超声波发生装置进行优化设计,取得了满意的效果。

关键词:E类放大器;最优设计;输出功率;效率;计算机化仿真《中图法》分类号:TN722.5　　　文献标识码:A

0　前言

在E类功率放大器的设计工作中,确定最佳工作状态下电路的各项参数,是设计出高效可靠的E

类功率放大器的关键所在。通常,E类功率放大器工作状态的好坏是通过开关器件集电极(或漏极)电压的波形来判断的[1,2]。电压的波形好,输出功率和效率就高;反之,波形不好,不仅会使损耗增大,输出功率和效率显著下降,而且还会出现许多不正常的现象,甚至损坏开关器件和其它元件,使E类功率放大器工作失效。利用集电极(或漏极)电压的波形来判断工作状态,在电路调试中具有简便、直观、易于操作的优点,然而在电路设计阶段,由于该方法无法准确地确定出最佳工作状态,只能凭经验进行判断,往往使设计出的电路并非工作在最佳工作点上。本文提出了一种借助于IntuSoft公司的ICAPCAE软件确定最佳工作状态的优化设计方法,并且利用该方法设计出一种用于800kHz超声波发生装置的E类功率放大器。

1　工作原理[3]

图1a为E类功率放大器的电原理图。其中开关器件M为功率MOSFET,C1为M的输出电容与分布电容之和,

C2为外接电容,L1为高频扼流圈。LC

为串联回路,但并不等于激励信号的基频。RL为等效负载电阻。放大器的等效电路如图1b所示,其中S是将功率MOSFET等效为理想开关,C0=C1+

C2,L′C′为理想串联谐振回路,谐振频

率等于输入信号的基波频率,Z为频率为基频时的LC回路阻抗与L′C′回路阻抗之差。

当M饱和导通时,相当于开关S闭合,此时漏极电压vD为零,由于负载网络的影响,漏极电流iD有一个上升和下降的过程;当M截止时,相当于S

基金项目:河南省科技攻关资助项目(97406100)作者简介:张　涛(1969-),男,硕士生收稿日期:1999-06-21

图1　E类功率放大器的电路及波形

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断开,此时vD完全由负载网络决定。合理地设计负载网络的参数,可以使得vD和iD不同时出现。即

当开关S闭合时,iD流过M而vD为零;当S断开时,iD为零而vD不为零。这样在任一时刻vD与iD的乘积均为零,开关器件M的耗散功率PD亦为零,从而使功率放大器的效率达到100%。考虑到开关损耗和负载网络的损耗,E类功率放大器的实际效率可以达到95%左右。最佳工作状态时的漏极电压和电流波形如图1c所示。

在图1所示电路中,当开关器件M截止时,漏极电压波形是由负载网络的瞬变响应来决定的。负载网络是一个衰减的二阶系统(即LRL与CC0/(C+C0)串联的二阶系统),在瞬变过程中,储存于C0、C、

L中的能量供给负载电阻RL,RL是网络的阻尼电阻。电容C0主要是保证在截止时间里,使开关器件M的漏极电压保持相当低,直到漏极电流减少到零以后为止。漏极电压的延迟上升,是E类功率放大

器高效率工作的必要条件。

由以上分析可见,负载网络的阻尼对漏极电压波形的影响极大,图2示出了不同阻尼情况下的漏极电压波形,以下分别予以分析:

(1)当阻尼过大时(如图2a),在开关器件M由截止转换到导通的瞬间,电容上的电压不为零,必须在管子的导通期内放电。由于此时开关器件M在驱动信号的控制下已经导通,有大的电流流过,因此就有可能造成高电压和大电流同时出现的危险情况,使开关器件M遭到损坏。(2)当阻尼过小时(如图2b),由于二阶系统内能量的衰减过小,致使电容上的电压摆动到零以下的负值。这个大的反向电压既可能造成开关器件M的反向击穿,也可能产生大的反向电流,使开关器件M的功耗增大,严重时烧坏管子。

(3)正确选择负载网络的阻尼,可以使漏极电压达到如图2c所示的波形,使放大器高效可靠地工作。

在实际调试工作中,由于电感L和负载RL通常无法改变,所以往往通过调节C2和C的值来改变负载网络的阻尼,从而改善漏极电压的波形。

2　负载网络参数的计算[4,5]

图2　不同阻尼时的漏极电压波形

　　负载网络主要由电抗元件C0(包含开关器件输出电容和分布电容C1以及外接电容C2)、串联回路电容C以及电感L组成。在选定电感L的有载品质因数QL并确定了负载RL和输入信号频率f后,电感L可由下式计算

L=

QLRLω

=

QLRLπf2

电容C和C0可由下式计算

C=

C0=

πfQLRL2

+

11+

1.110QL-1.78790.81QL0.18361+2

πfRL2QL+40.81QL0.18361+≈2

πfRL(2πf)2L12QL+40.7高频扼流圈L1起恒流作用,应足够大,L1可由下式计算

1L1≥10

(2πf)2C0

3　利用电压波形调整电路参数

800kHz超声波发生装置中所用的E类功率放大器如图1所示,性能指标如下:工作频率为800kHz,

第1期　　　　　　　　　　　　张　涛等:E类功率放大器的一种优化设计方法・63・

基波输出功率大于20W,等效负载电阻为50Ω,电源电压VDD为45V。

μH(取Q0=250,根据以上性能指标,计算出该E类功率放大器负载网络的各项参数为:L=50.75

μH(取L1=1mH)。由于电路的工作频率高,开关器QL=5),C=1049.36pF,C0=815.90pF,L1>485.09

件M宜选用功率MOSFET,本电路选用美国APT公司的低栅电荷—高速开关系列功率MOSFET

(APT5020BN)。考虑到APT5020BN的输出电容C1较大(约为520pF),实际上取C2=300pF。从该功率放大器的输入端输入频率为800kHz、占空比为0.5、幅度为12V的方波驱动信号,利用ICAPCAE软件对漏极电压进行仿真,得到如图3a所示的波形。

图3　调整前后的漏极电压波形

　　根据图3a所示的波形可以看出:漏极电压vD在半周期以内就下降到零。通过与图2中的三种波形进行比较,可知负载网络的阻尼过小,需要对C2和C进行调整[6],调整后得到漏极电压波形如图3b所示。此时C2和C的值分别为180pF和1000pF,负载电阻上的800kHz基波电压幅度为53.12V,输出功率为28.22W,放大器的效率为92.04%。

4　电路参数的优化

在上述调整方法中,对电路最佳工作状态的判断完全是由漏极电压波形的好坏来决定的,缺乏准确的定量判断。为了弥补这一缺陷,可以利用ICAPCAE软件提供的参数扫描和优化功能对相关参数进行优化,具体做法如下。

(1)在SPICENET中根据计算出的电路参数画出电路图(如图1),进行一次仿真,并在INTUSCOPE中计算出此时负载上的基波幅度、输出功率和放大器效率。

(2)以(1)中C2的计算值作为C2的值,以放大器的效率作为目标函数,选择一个合适的C的取值范围,然后对C进行优化,得到C的优化值。

(3)以(2)中C的优化值作为C的值,仍以放大器的效率作为目标函数,选择一个合适的C2的取值

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范围,然后对C2进行优化,得到C2的优化值。

(4)以(3)中C2的优化值作为C2的值,重复交替进行(2)、(3),经过若干次后,当C2和C的优化值不再变化时,即可得到C2和C的最佳值。

利用这种方法对C2和C进行优化后,得到的最佳理论值分别为289pF和941pF。将电路中的C2

和C换成最佳理论值后,再对该电路进行仿真,得到负载上的基波幅度、输出功率和放大器效率分别为58.34V、34.04W和93.28%。比较两种方法得到的结果,可以看出后者确定的电路参数才是E类功率放大器的最佳工作参数。

5　结束语

本文介绍的E类功率放大器的优化设计方法是借助于IntuSoft公司的ICAPCAE软件,对传统的设计方法所作的一种改进。通过设计实例对比两种设计方法得到的结果,可以看出本文所述的优化设计方法确实能够对传统设计方法得到的电路参数进一步进行优化,设计出更加高效的E类功率放大器。参考文献:

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[6]　胡长阳.D类和E类开关模式功率放大器[M].北京:高等教育出版社,1985.

AKindofOptimalDesignMethodofClassEPowerAmplifier

ZHANGTao,LIANGWen2Lin

(Dep.ofElectr.Eng.,LuoyangInst.ofTechnol.,Luoyang471039,China)

Abstract:TheefficiencyofCoscillatorwithavacuumelectronictubeisabout50%,whileitsClassEoscillatorisabove90%.Toraiseoscillatorefficiency,therearethreeways.OneistouseMOSFETofpowerelectronicsdevice,secondly,toconstructaclassEoscillatorandtooptimizethecircuitparameters.Simulationsforthecircuitandex2perimentalresultsshowthatthetheoreticalanalysisandcircuitdesignsaresuccessful.Theefficiencyforsimulationachieves91%,theefficiencywithexperimentalresultisabout90%.

Keywords:ClassEamplifiers;Optimumldesign;Outputpower;Efficiency;Computerizedsimulation