基於SG3525A的D類數字功放設計與實現

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基於SG3525A的D類數字功放設計與實現

發表於 2017-12-23 14:11:12

D類功放的突出優點是效率特別高，這是因為它的輸出電路工作在開關狀態；而要開關工作又必須進行調製，常用的調製方式是正弦脈寬調製（SPWM）。D類功放的框圖如下圖1所示。

圖1  D類功放方框圖

1．H橋及濾波電路設計

H橋及濾波電路比較簡單，如下圖2所示。

圖2  H橋及濾波電路

H橋用4隻場效應管組成，Q1、Q2組成一個橋臂，Q3、Q4組成另一個橋臂，濾波電路與一般D類功放一樣採用由L1、L2、C1、C2組成一個低通濾波器。它的工作過程是：當前級驅動正半周時，電流由VDS→Q1→11→Y→L2→Q4→地；負半周時，電流由VDS→Q3→L2→Y→L1→Q2→地。

Q1-Q4選用N溝道功率場效應管BUZ11，其參數如下：75W/30/V50V/0.05Ω；L1、L2選100μF/2A，電容C1、C2選0.47μF。

2．驅動電路設計

驅動電路的任務是驅動H全橋的場效應管，為了驅動高端管子，驅動電路應具有自舉浮地功能。

這裡可以選用兩隻廉價的IR2101來實現。IR2101內部框圖、引腳圖如下圖3（a）、3（b）所示。

圖3（a）IR2101內部框圖

圖3（b）IR2101引腳圖

IR2101的引腳功能如下：

引腳7是高端輸出（HO），引腳5是低端輸出（LO），引腳1是低端電源電壓（VCC），引腳8是高端浮置電源電壓（VB），引腳4是低端電源公共端（COM），引腳6是高端浮置電源公共端（VS），引腳2是高端邏輯輸入控制端，（HIN）引腳3是低端邏輯輸入控制端（LIN）。

使用IR2101的驅動電路如下圖4所示。

圖4  IR2101驅動電路

為了降低成本和簡化電路，也可以採用脈衝變壓器驅動，電路如下圖5所示。

圖5  變壓器驅動電路

3．載波、調製、死區電路設計

載頻發生器、調製電路、死區控制電路可以由一片SG3525A實現。SG3525A是電壓控制模式的PWM控制與驅動器（UC3525A、KC3525A同，用SG3525B可以直接替換），它主要用於開關電源。

它的內部主要由基準電源、誤差放大器、振蕩器、PWM比較器、觸發器、輸出電路等組成，封裝形式有16腳DIP封裝，其引腳功能及特點如下：

1腳：誤差放大器反相輸入；2腳：誤差放大器同相輸入；3腳：振蕩器外同步控制輸入，若採用內部振蕩時鐘信號，該腳懸空或接高電平；若採用外同步時鐘信號，該腳接地，並且外同步時鐘應從4/5腳輸入；4腳：內部振蕩器輸出端，外同步時為外同步時鐘輸入端；5腳：外接定時電容端；6腳：外接定時電阻端，與5腳共同決定內部振蕩器的振蕩頻率；7腳：外接放電電阻端，它與5腳電容決定PWM驅動信號A路輸出與B路輸出間的死區時間；8腳：外接軟啟動電容端；9腳：內部PWM比較器輸入端；10腳：外部控制端，接低電平時晶片內部工作；接高電平時，晶片內部被關斷；11腳：PWM驅動信號A路輸出；12腳：地端；13腳：集電極開路輸出端，應用時，一般與Vin間接一個小阻值電阻；14腳：PWM驅動信號B路輸出端；15腳：晶片電源端；16腳：內部基準電源輸出端。其內部框圖如下圖6所示。

圖6 SG3525A內部框圖

SG3525A的內部振蕩器為一個三角波發生器，它的振蕩頻率由6腳的電阻和5腳的電容決定。內部還有一個PWM比較器，當9腳輸入電壓發生變化時，三角波和輸入電壓的交點發生變化，比較器輸出脈寬發生變化，從而實現脈寬調製（PWM）。如果我們在其9腳輸入具有輸入音頻信號幅值和頻率信息的直流電壓，則其輸出脈寬就一定反映音頻信號幅值和頻率的變化。由SG3525A構成的音頻SPWM電路如下圖7所示。其振蕩頻率fo可以選擇在300kHz上下，它與Rt、Ct、Rd有關，可以在其數據手冊中通過查表得到。

一般的表達式為：fo=l/Ct（0.67Rt+1.3Rd）；R1選2.2Ω，R2選4.7Ω，Rd選10Ω。

圖7  SG3525A構成的音頻SPWM電路

4．音頻放大器設計

音頻放大器用運放構成，如下圖8所示。

圖8  音頻放大器

為了將音頻疊加在直流電壓上送至SG3525A的9腳，將雙電源運放設計成單電源應用，這樣既放大了音頻信號又將SG3525A的9腳偏置在一定的直流電壓上，即，使SG3525A在無信號輸入時的中心脈衝佔空比偏置在一定值上。圖中運放採用OP07，其同相輸入端由R2、R3，分壓後偏置在U3=VCC★R3/（R2+R3）上，使其6腳亦即SG3525A的9腳也偏置在此值上，在無信號輸入時SG3525A的輸出脈衝佔空比也偏置在相對應的值上；當有音頻信號輸入時，OP07的輸出6腳即SG3525A的9腳直流電壓為：

U9=（VCC*R3/（R2+R3）±UIMSinωt

則，U9的波形示意如下圖9。

圖9  U9在信號輸入時的波形圖

由圖可知，SG3525A的9腳直流電壓按輸入信號規律變化。則，SG3525A輸出脈衝佔空比隨輸入信號在偏置點上下按信號規律變化，從而實現SPWM調製。

R1=R2=R3=47K，R4=250K，C1=C2=1μf，輸入電位器為10K。

5．整體電路

整體電路如下圖10所示。

圖10  基於SG3525A的D類數字功放電路

6.結論

使用SG3525A的D類數字功率放大器具有電路簡單、無須調整、輸出功率大、電源效率高、功率元件發熱小等優點。由於功率元件外接，還特別適合較大功率的場合；另外，除了功率元件外還很容易實現集成，是一種很有發展前途的電路。

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