ＰＳＭ脈沖面積調(diào)制功率放大器在水聲領域的應用

魏玉華

摘要: 本文介紹了一種新型功率放大器,并對其采用的關鍵技術(shù)和應用做了簡要分細和闡述，給出了這種新型功率放大器在水聲領域的應用。

關鍵詞：PSM；技術(shù)分析；應用前景

1 引言

水聲領域中模擬的功率放大器經(jīng)過了幾十年發(fā)展，已經(jīng)達到了相當高的水平，其技術(shù)性能已經(jīng)相當成熟。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和進步，數(shù)字功放的應用越來越廣泛，其高效率、小體積的優(yōu)勢被人們高度重視，極大的激發(fā)了人們對其應用的研究興趣。

數(shù)字功放的概念早在20世紀60年代就有人提出了，由于當時技術(shù)條件的限制，進展一直較慢。1983年，M.B.Sandler等學者提出了D類放大的PCM（脈碼調(diào)制）數(shù)字功放的基本結(jié)構(gòu)。主要技術(shù)要點是如何把PCM信號變成PWM（脈沖調(diào)寬信號）。本文介紹了一種PSM（脈沖面積調(diào)制）數(shù)字功率放大器技術(shù)特點和應用，這是一種新型功率放大器，它成功克服了傳統(tǒng)功率放大器固有的效率與失真二者不能兼顧的缺陷，是功率放大器的一次技術(shù)革命。

2 主要性能特點

PSM功率放大器，主要應用于音頻功率放大。它的顯著特點是寬頻帶、效率高、失真度低。在純阻負載條件下，效率很容易達到95％以上（在額定功率的1/10條件下，效率也能達到60％以上），總諧波失真度THD＋N＜0.2%，失真度性能已經(jīng)達到高保真音響的指標；比較而言，目前性能較好的D類功放也只能達到80－90％的效率。

瞬態(tài)響應好，抗過載能力強，通過于負載適當?shù)墓β势ヅ洌哂幸欢ǖ念l率補償效應。

3 核心技術(shù)

PSM（脈沖面積調(diào)制）數(shù)字功率放大器核心技術(shù)包括：脈沖面積調(diào)制數(shù)字功率處理技術(shù)、零電壓轉(zhuǎn)換數(shù)字功率處理技術(shù)。

脈沖面積調(diào)制技術(shù)采用通信技術(shù)中的小信號適應算法和估計算法，將輸入信號和負載電流經(jīng)過數(shù)字處理后的輸出信號控制場效應管的導通和關閉。這種處理方法克服了脈沖前、后沿延遲和頂部傾斜引起的失真。PSM數(shù)字功率放大器的另一項核心技術(shù)是零電壓轉(zhuǎn)換數(shù)字功率處理技術(shù)，使其效率達到80％～90％，在十分之一的額定功率下，效率也可以達到50％～60％左右，遠高于AB類（甲乙類）功率放大器的指標。

以上核心技術(shù)包括信號處理算法和驅(qū)動電路已經(jīng)利用先進的HVIC（高壓集成電路）半導體工藝集成在芯片中，功率處理芯片DPP2000。

4 應用

PSM數(shù)字功率放大器的應用非常廣泛，但在水聲工程領域的應用一直是一個空白。由于裝備對新技術(shù)應用的滯后性，到目前為止，聲納線性功率放大器一般采用甲乙類功率放大器，功率放大部分要占用整整一個機柜，一般分為功率模塊，輸出變壓器、電源模塊以及輔助模塊等。為保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)設計還要采用降額設計原則，所以甲乙類功率放大器工作效率只能達到40％左右，加上換能器的功率匹配損失，效率低于40％。由于效率低，系統(tǒng)損耗大，必須要有良好的散熱系統(tǒng)，而加裝電源風扇必然增加噪聲抑制和電磁設計的難度。

在水聲領域，由于功率越大聲納傳輸距離越遠，所以通信聲納一般都需要大功率放大器，裝備的體積龐大，設計難度也很高。所以對線性功率放大器應用來說，高效率，低失真度，體積小的寬帶功率放大器一直都是各種聲納系統(tǒng)的理想功率放大器。

近年來，數(shù)字信號在水聲領域已經(jīng)得到比較廣泛的應用，例如：偽隨機擴頻信號，OFDM信號等等。但是高峰平比寬帶信號的研究和應用受到傳統(tǒng)線性功率放大器性能的限制，OFDM信號帶寬一般都在幾KHz以上，峰平比較高，但OFDM信號又需要進行線性功率放大，模擬功率放大器在大功率條件下難以平衡效率和失真度等指標要求。而PSM功率放大器，瞬態(tài)響應好，抗過載能力強，經(jīng)過適當?shù)墓β势ヅ?，適用于不同的阻抗特性的負載，PSM功率放大器的性能特點非常適合水聲領域的應用。

如果采用PSM功率放大器，不但可以小型化，效率也可以提高到60％～80％左右，但最終實現(xiàn)效率的高低與功率放大器和負載的匹配狀態(tài)有關。

5 應用實例

在與中國科學院聲學研究所合作的某預研項目中，就運用了采用PSM技術(shù)的功率放大器，該功率放大器采用 68V直流電源供電，額定輸出功率為2000W，功率放大模塊外形尺寸為 270 x 168 x 270 (mm) ，重量20Kg，與通信聲納通用換能器匹配之后的聲源級能達到200dB,該功率放大器的匹配網(wǎng)絡與功率放大模塊設計在一起，通過一組開關電源，負責把電池組輸出的48V直流電源轉(zhuǎn)換為 72V直流電源。與現(xiàn)役的通信聲納的線性功率放大器相比，采用PSM技術(shù)的功率放大器有如下幾點優(yōu)勢：

a.體積比現(xiàn)役的功率放大模塊的體積要小一半之多；

b.由于效率較高，短時間內(nèi)發(fā)熱量不大，不需要額外的被動散熱裝置，這樣就減小了環(huán)境噪聲；

c.達到同樣的聲源級要比現(xiàn)役的功率放大器消耗的電功率少將近一半；

d.由于匹配網(wǎng)絡與功率放大模塊設計在一起，現(xiàn)役的通信聲納如要采用PSM技術(shù)的功率放大器，其匹配轉(zhuǎn)換裝置的體積就可大大縮小。

又如在某通信聲納設備中，也使用了采用PSM技術(shù)的功率放大器，功率放大模塊與匹配網(wǎng)絡為一體設計，額定功率為800瓦，尺寸僅為270 x 195 x 125 (mm)，發(fā)射聲源級能達到199.7 dB,加上把220交流電源轉(zhuǎn)換為 72V的電源板，總尺寸也不會增加太多，匹配之后全功率發(fā)射時加在換能器上的電功率與消耗的總電功率之比達65%以上。該產(chǎn)品在試驗時通信效果很好。

6 優(yōu)越性

從PSM功率放大器的應用情況我們可以看到：

同樣的發(fā)射功率PSM功率放大器體積是模擬線性功率放大器的1/5；重量是1/10。充分體現(xiàn)了PSM功率放大器的優(yōu)越性。

如果不是長時間連續(xù)發(fā)射，PSM功率放大器主機幾乎不發(fā)熱。主機設有開關電路，在關閉狀態(tài)，功耗幾乎為零，開關電路控制功放開機，系統(tǒng)響應時間可以達到毫秒級，在幾個毫秒內(nèi)可以從關閉狀態(tài)達到滿功率發(fā)射狀態(tài)。因此功放部分可以不必安裝散熱風扇，只用加裝散熱片即可，這在工程上可以大大降低散熱時的風燥和因開窗帶來的電磁泄露。

主動聲納負載一般為壓電陶瓷換能器，容性負載，需要進行匹配變換，PSM功率放大器 0W和2000WPSM功放的功率匹配單元尺寸都較小，可以安裝在機箱內(nèi)部，更換不同的匹配單元驅(qū)動不同阻抗特性的負載。

7 結(jié)束語

本文對PSM功率放大器主要特點及核心技術(shù)進行了深入分析研究，并與模擬的功率放大器進行了實際對比，總結(jié)了PSM功率放大器的優(yōu)越性，對PSM功率放大器在實際應用中前景和需求進行了闡述，明確提出了PSM功率放大器在主動聲納中具有很強的實際應用價值，尤其是比線性功率放大器有著比較明顯的優(yōu)越性。