三极管和场效应管混合驱动方式的音频开关功率放大器设计

三极管和场效应管混合驱动方式的音频开关功率放大器设计 三极管和场效应管混合驱动方式的音频开 关功率放大器设计 第36卷第3期 2O10年9月 延边大学(自然科学版) JournalofYanbianUniversity(NaturalScience) Vo1.36No.3 Sep.2O10 文章编号:1004—4353(2010)03—0263—03 三极管和场效应管混合驱动方式的 音频开关功率放大器设计 崔春淑 (延边大学工学院电子信息工程系,吉林延吉133002) 摘要:提出了一种三极管和场效应管混合驱动方式的音频开关功率放大器的设计方法,这种放大器采用通用 的PWM发生器芯片TI494,后级功率驱动采用三极管和场效应管混合驱动方式,能自动形成死区时间,可工 作在24,100V电压范围,具有电路简单,工作稳定,性价比高的特点,因此可广泛应用在频响要求低于 10kHz的工业用报警器产品中. 关键词:TL494;混合驱动;开关功率放大器 中图分类号:TN22.75文献标识码:A DesignofSwitchingPowerAmplifierBasedonTransistor andFETCompositeDrivingMode CUIChun—shu (Department0_,'InformationEngineering,CollegeofEngineering,YanbianUniversity,Ya nji133002,China) Abstract:WepresentsadesignmethodofswitchingpoweramplifierbasedontransistorandF ETcomposite driving.TheamplifieradoptsgeneralPWMgeneratorchipTL494,itsbackwardstagepowerdrivingusesthe transistorandFETcomposite.Itformsdeadtimeautomaticallyandworkinthevoltagerangeo f24VtO100 V,withthecharacteristicofcircuitsimpleness,steadyworkingstateandhighcostperformanc e.Thus,itcan bewidelyusedinindustryalarmproducts,whichrequiresafrequencybelow10kHz. Keywords:TI494;compositedriving;switchingpoweramplifier 0引言 随着高速功率MoSFET生产技术的迅速发 展,MOSFET的工作频率越来越高,驱动方式越 来越多,而且其价格也越来越低;因此,近年来市 场上大量出现了应用于各种家用电器和工业用报 警器的开关功率放大器.与线性功率放大器相比, 虽然开关功率放大器的电路复杂,但由于它具有 很高的工作效率,使用较小的散热片,因此可大幅 地减小产品的体积n].在常见的开关功率放大器 中,MP7720在最大的工作电压(24V)下,可输出 的功率为2OW;TDA7481在最大的工作电压(? 18V)下,可输出的功率为18W;STA5l0在最大 的工作电压(60V)下,可输出的功率为100W.这 些集成芯片一般在输出部分采用2个或4个N 沟道M()SFET驱动,内部电路较为复杂【2],而且 其价格也很高,因此很难应用于一般的工业用报 警器中.TL494近年来被广泛应用于半桥式开关 电源,它具有工作频率和工作电压高,控制方式 多,价格低廉等优点引.本文采用通用的集成芯片 TL494把模拟信号转换成PWM信号,并在输出 部分采用N沟道MOSFET和PNP三极管构成 收稿日期:2010—05—31 作者简介:崔春淑(1967一),女,副教授,研究方向为智能开关技术及智能变换. 264延边大学(自然科学版)第36卷 开关功率放大器,它可自动形成死区时问.解决了 2个驱动管交叉导通的问题,并简化了驱动部分 的电路. 1三极管和场效应管混合驱动方式的音 频开关功率放大器 1.1整体电路框图 图1是基于T1494的开关功率放大器的整 体电路框图.电路设计的关键是占空比调节电路, 输人信号压缩电路和MOSFE'I,驱动电路. I旦堂皇堕卜卜———一 一 厂 圈1三极管和场效应管混合驱动方式的音频开关 功率放大器的电路框图 1.2TL494的主要特性 利用开关电源通用的集成芯片TL494把模 拟信号转换成PWM信号,要求凋制频率大于 50kHz.TI494芯片可:,作在7,4OV的宽电压 范围内,最大工作频率为200kHz,每个输出的下 拉电流可达0.5A,因此并用2个可提供1A的电 流,并且内部有锯齿波发生,PwM发生器和死 区时问调整功能,能够完全满足调制要求. 1.3PWM信号的最小死区时间调节电路 在开关电源中,为'r提高效率,要求开关管要 有快速的关断能力,困此需采用各种快速驱动方 式J.TI494是开关电源专厢的集成芯片,在其 内部把最小死区时间设定为0.JV的电压,最大 占空比约为88.TI494驱动2个功率管时,为 防止共太导通.设有较大的死时问,但如果音 频调制中死区时问较大,将降低电压利用率,因此 应尽量减少死区时间.提高电压利用率口.图2为 开关功率放大器的整体电路. 图2开关功率放大器的整体电路 在图2中,当C一102,R=24kQ时,工作 频率约为78kHz.如图3所示,如果没有占宅比 调节电路D8,D17,R23,则因为内部滞后时间比 较器的比较点为0.1V.所以最小导通时间约为 1.52s,最小占空比为D—1..5o/13?l2,因 此PWM调制时电压利用率下降如图4所示,如 果使用D8,D17.R23,则会在锯齿波发生用的电 容器C4的E点产生0.82V的偏嚣电压.把锯齿 波的起点从原来的0V提高到0.82V,因此,导通 时间减小到0.64s,最小占空比减小到D: 0.64/13~4.9,明显地提高电压利用率. 图3无占空比调节电路时输出波形 第3期崔春淑:三极管和场效应管混合驱动方式的音频开关功率放大器设计 _- ????一O.64us … .V 一 0.82V,. . . /...——--1 图4有占空比调节电路时输出波形 1.4三极管和MOSFET混合驱动电路 N沟道MOSFET采用IRF540,它的最大工 作电压为100V,最大工作电流为27A.Vs电压 为5,15V时饱和.PNP三极管采用TIP42,它 的最大工作电压为100V,最大:E作电流为6A. 驱动三极管Q3采用NPN型C8050,它的最大工 作电压为3OV,最大工作电流为1A,其中BV 为12V的特性,二极管D10起抑制滤波电感的反 向电压作用. 图5为驱动原理波形.假设V.一V(门槛 电压),当A点的脉冲电压超过时,QH开始 导通,由于自举电路的作用使B点的电平总是高 于I点(约12V),因此可为QH提供饱和电压.当 A点的脉冲电压下降到+时,QH开始退 出饱和;当下降到V一V时,QL开始导通.由此 可知2个功率管在一B<<+,范围 内都不导通,从而克服了共太导通的问题. .?\/\}{ ,,J, }II\.}I 濯糊鏊 嚣 QL导通 . f'{/1./Q'{ 图5三极管和场效应管混台驱动方式的原理波形 在图2中,D16和C7组成自举电路,使B点 的电平总是高于I点(约12V),因此可为QH提 供饱干"电压.当A点的脉冲电压低时,电流通过 三极管Q7发射极驱动,输出高电平;当A点的脉 冲电压高时,电流通过三极管Q3的射极驱动后 再经过QH驱动,输出高电平. 2实验结果 图6是实测的驱动波形.在脉冲电压从低到 高的变化过程中,QH和QL同时截止的时间约 150ns,由于脉冲的上升沿是通过R8形成 为8O, 的,因此有一定的斜度;而下降沿是TL494内部 输出管饱和形成的,因此非常陡.当输入电为 35V,工作频率为78kHz时.实测的静态电流仪 为?111A左右,功率损耗很小. 1 r ,? 3结论 图6实测的驱动波形 实验结果表明,本文设计的N沟道M()S FET和PNP三极管混合驱动的开关功率放大 器,可利用简单的驱动电路自动形成死区时间,解 决了2个驱动管共太导通的问题.由于采用自举 电路,因此功率管的工作电压范围在24,100V, 能够满足不同功率输出的要求.该设计具有整体 电路简单,工作状态稳定,价格低廉等特点,可应 用于工作频率低于10kHz.功率在15,60W的 工业用报警器,提高产品的竞争力.在实际应用 中,三极管的饱和压降为0.7V左右,因此工作时 的温度比场效应管稍微高一些. 参考文献: [1]朱高峰,吴黎明.D类音频功率放大器的关键技术 [J].声学技术,2006,25(5):452—456. [2]崔春淑.基于互补驱动方式的音频开关功率放大器设 计口].延边大学:自然科学版,2008.34(1):32—35. [3]王亚君.TI494及其在半桥变换开关电源中的应川 EJ].现代电子技术,2004,173(6):94—95. [4]徐红梅.基于Ti-t94集中供电方式大型广告牌拄制 器的设JtEJ].延边大学:自然科学版,2006.2 (1):22—25. [5]金永镐,姜欣欣.基于恒流驱动模式的宽电压输入 串联型开关电源[J].电子技术应用,2oo7,33(j2): 】66一】68.