音頻功率放大器,簡稱音頻功放,在當代生活中的各個方面均有著廣泛的應用。音頻功放主要將20Hz~20kHz人耳聽力范圍內(nèi)的小幅度音頻信號進行放大,以推動喇叭震動,從而產(chǎn)生所需的聲音。在音頻信號放大的過程中,保證放大后的音頻信號波形不失真,完美還原聲音信號成為了音頻功放的關鍵。傳統(tǒng)音頻功放一般采用線性放大電路,輸出電壓失真低,但功放系統(tǒng)效率極低,增大了散熱器體積。在近年來一些便攜式音頻設備中,小體積、高效率、低失真、高功率密度成為音頻功放的重要指標。音頻開關功放由于其具有以上優(yōu)點,得到了廣泛應用,成為音頻功放中的研究重點。相比于線性功放,開關功放的理論效率為100%,因此也越來越受歡迎。class-D音頻功放是近年來一種廣泛應用的開關功放,class-D音頻功放分半橋和全橋兩種,其中半橋class-D音頻功放電路簡單,成本較低,非常適合于小功率音頻功放場合。然而,半橋class-D音頻功放需要正負對稱電源供電,因此半橋class-D音頻功放的前級DCDC變換器必須有著對稱的雙極性輸出。在半橋class-D音頻功放中,當輸出電流為正時,輸出電流會在負電源上堆積電荷,造成負電源電壓進一步降低;當輸出電流為負時,輸出電流會在正電源上堆積電荷,造成正電源電壓進一步升高,該現(xiàn)象被稱為電源泵問題。特別地,當輸出電壓頻率較低,通常小于200Hz時,電源泵問題將會變的很嚴重,正負電源電壓波動甚至會達到數(shù)倍正常電源電壓值,較大的class-D功放供電電源電壓波動會增大功放的輸出電壓失真,也會造成半橋class-D音頻功放的器件損壞,對音頻功放系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。傳統(tǒng)抑制電源泵問題的方法是在前級DC-DC變換器的正負輸出兩端并聯(lián)較大的電解電容,但該方法降低了功放系統(tǒng)的功率密度。為了解決半橋class-D音頻功放中的電源泵問題,同時提高功放系統(tǒng)的功率密度,本文提出了一種單輸入雙極性對稱輸出的雙向DC-DC變換器作為半橋class-D音頻功放的前級變換器,構成兩級式半橋classD音頻功放,通過前級雙向DC-DC變換器將電源泵回饋的能量傳輸?shù)揭纛l功放系統(tǒng)的輸入電源端,從而消除了電源泵問題。該變換器結(jié)合Buck-boost變換器和Zeta變換器,在任意端口電流流入流出的情況下,均可實現(xiàn)所有開關管的ZVS導通。在輸出電容較小的情況下,本文提出的前級DC-DC變換器也能為后級半橋class-D音頻功放提供穩(wěn)定的高度對稱的正負輸出電壓。因此,該音頻功放系統(tǒng)實現(xiàn)了高效率、高功率密度、低失真等。近年來,高頻鏈DC-AC變換器成為一種高效的隔離型DC-AC變換器架構。為了進一步提高音頻功放的效率,本文提出一種準單級高頻鏈音頻功放,該音頻功放采用由準單級高頻鏈DC-AC變換器構成的雙向軟開關直流變壓器(DC-transformer,DCX),為半橋class-D音頻功放提供正負母線電壓,并通過該DCX消除了半橋class-D音頻功放的電源泵問題。該DCX在功率正反流動時均能實現(xiàn)ZVS導通,減小了開關損耗。此外,該DCX理論上不需要輸出電容即可輸出高度對稱的正負輸出電壓,實際中僅需很小的輸出電容以降低開關紋波進行穩(wěn)壓。由于該DCX省掉了控制環(huán)路設計,減小了輸出電容,且該音頻功放系統(tǒng)實現(xiàn)了單級功率轉(zhuǎn)換,提高了系統(tǒng)效率,因此該音頻功放系統(tǒng)具有低成本、高效率、低失真等優(yōu)點。結(jié)合單級式高頻鏈DC-AC變換器,本文提出了一種單級式高頻鏈軟開關音頻開關功放。相比于傳統(tǒng)class-D音頻功放,本文提出的單級式音頻功放實現(xiàn)了單級功率變換,是一種全新的音頻開關功放架構。該音頻功放實現(xiàn)了能量雙向流動,沒有傳統(tǒng)半橋class-D音頻功放的電源泵問題。由于單級功率變換和開關管的軟開關,該音頻功放實現(xiàn)了比傳統(tǒng)class-D音頻功放更高的系統(tǒng)效率。此外,該音頻功放采用雙極性調(diào)制,消除了單極性調(diào)制下的占空比丟失問題,保證了音頻功放較好的輸出電壓失真。為了驗證本文理論分析的正確性,利用仿真軟件搭建了相應的電路仿真并制作了實驗樣機平臺。仿真及實驗結(jié)果很好地驗證了理論分析,所制作的音頻開關功放樣機均實現(xiàn)了高效率、低失真以及無電源泵問題。
【學位單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM46
【部分圖文】：

圖 1-1 智能音箱產(chǎn)品推出時間圖從學術研究方面，國內(nèi)外大量學者從調(diào)制策略、功放效率、輸出失真(Totalharmonicdistortion and noise, THD+N)、信噪比(Signal to noise ratio, SNR)、電源抑制比(Powersupply rejection ration, PSRR)、EMI(Electromagnetic Interference, EMI)等各個方面對class-D 音頻功放做了大量的研究[7]-[28]。經(jīng)過對 class-D 音頻功放的深入研究，提出了很多針對輸出失真的優(yōu)化改進方法，一些 class-D 音頻開關功放的輸出失真已經(jīng)可以媲美class-A 線性音頻功放[29]-[31]。因此，高效率低失真的 class-D 音頻功放已經(jīng)成為便攜式消費類音頻電子產(chǎn)品的首選。由于 class-D 音頻功放一般均需要前級 DC-DC 變換器將較低或者較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換到適宜 class-D 音頻功放供電的電壓等級，兩級式 class-D 音頻功放的前級 DC-DC變換器也成為重要的研究對象[32]-[36]。由于半橋 class-D 音頻功放有較嚴重的電源泵問題，影響了音頻功放性能，為了更好地滿足應用需求，提高開關功放的系統(tǒng)效率，消除半橋 class-D 音頻功放的電源泵問題成了重點研究對象。此外，在 class-D 音頻功放的基礎上，文獻[17]、[37]-[40]將音頻開關功放與前級 DC-DC 變換器結(jié)合，形成了新的單

西南交通大學博士研究生學位論文呈現(xiàn)容性，在高頻輸出電壓下呈現(xiàn)感性。因此，當負載呈現(xiàn)非阻頻功放系統(tǒng)輸出電壓和輸出電流的相位便有所不同。若負載為感性Sa和 Sb的開關時序不變，輸出電流 io向左平移，輸出電流 io為負向左移動，因此輸出電流 io為負時，開關管 Sa導通的黃色脈寬會 Cpos上積累更多的電荷，造成更大的電壓波動；與此同時，輸時間段 Tb也向左移動，因此輸出電流 io為正時，開關管 Sb導通，進而在電容 Cneg上積累更多的電荷，造成更大的電壓波動。，電容 Cpos和電容 Cneg上的電壓波動也比純阻性負載下更大。

class-D 音頻功放的前級變換器的音頻功放系統(tǒng)進行了分析，消除了半橋 class-D 音頻功放的電源泵，提高了該音頻功放的性能。如圖 2-6 所示，通過共用 Buck-boost 變換器和 Zeta 變換器的輸入端開關管 S1和電感 L1構成的 SIBSO DC-DC 變換器可以實現(xiàn)單電壓輸入對稱雙極性輸出，能夠很好地應用于 class-D 音頻功放的場合。但是傳統(tǒng)的 Buck-boost 變換器和 Zeta 變換器均無法實現(xiàn)開關管的軟開關，限制了該 SIBSO 變換器的高頻化，降低了變換器效率。
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