基于BUCK變換器的大功率脈沖功放設(shè)計

王德琦，方思然，金永鎬

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉133000)

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基于BUCK變換器的大功率脈沖功放設(shè)計

王德琦，方思然，金永鎬

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉133000)

提出了一種利用BUCK變換器的警報器用大功率脈沖功率放大器，這種脈沖功率放大器采用BUCK變換器將輸入電壓連續(xù)改變到1.2～30 V后，提供給自舉方式的脈沖功率驅(qū)動級，從而實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)音量，可輸出50 W以上的功率且效率可達(dá)90%以上。利用這種方式可避免使用價格昂貴的D類放大器，整體電路簡單、工作穩(wěn)定、維護(hù)簡單，可大幅降低成本，提高生產(chǎn)能力和產(chǎn)品的競爭能力。

BUCK變換器；自舉方式；調(diào)節(jié)音量；效率；電路簡單

隨著各種報警器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療等行業(yè)的自動化設(shè)備，有效控制了各種事故的發(fā)生，起到了防患于未燃的作用。大功率警報器要求輸出音量在130 dB以上，因此驅(qū)動級輸出功率很大[1]，如果音量調(diào)節(jié)采用線性方式，效率僅為40%～60%，不但損耗功率大而且所需的散熱片面積也很大，不利于安裝也不節(jié)能[2-3]。

因此通常采用的方式為：(1)工作電壓不變，調(diào)節(jié)信號周期并使信號的每個周期脈寬實現(xiàn)音量連續(xù)改變；(2)工作電壓不變，使信號與占空比可調(diào)的高頻信號相乘后輸出，從而實現(xiàn)音量連續(xù)改變；(3)工作電壓不變，使用D類放大器，實現(xiàn)音量連續(xù)改變[4-5]。這3種方式各有優(yōu)缺點，因此本文采用采用高效率的BUCK變換器芯片把固定的輸入電壓連續(xù)改變到1.2～30 V的輸出電壓后，提供給特殊的脈沖功率驅(qū)動級，從而改變信號的幅度方式連續(xù)調(diào)節(jié)音量。這種方式不改變信號的成分，通過改變幅度從而解決了小音量時音色改變的問題。脈沖功率驅(qū)動級具有在1～100 V寬電壓范圍內(nèi)開關(guān)方式工作的能力，效率>97%，且具有電路簡單、穩(wěn)定可靠地工作的特點。

利用具有高性能價格比的MK6A12單片機產(chǎn)生所需要的各種報警音源提供給脈沖功率驅(qū)動級，這種單片機具有較強的抗干擾能力，內(nèi)含RC振蕩器、WDT以及復(fù)位電路，與其他系列單片機相比，省去了很多外圍元件，且價格低廉[6]，適用于各種工業(yè)控制器。

1 常用大功率警報器驅(qū)動電路分析

1.1 國際通用報警音源分析

表1列出了國際通用的幾種報警音源的頻率和用途。

表1 通用報警音源頻率及用途

除了上述常用報警音源以外還有很多種類，可分為3大類：一是兩種頻率交替改變方式；二是頻率連續(xù)改變方式；三是頻率按一定的模式改變的方式[7]。通過分析可知所有的音源為頻率分布范圍為200～2 000 Hz，但有些波形的占空比僅為5%，所以脈沖寬度很窄。

1.2 大功率警報器中調(diào)節(jié)音量的方法

通常使用的脈寬方式調(diào)節(jié)音量的方法有兩種，一是在音源信號的每個周期內(nèi)按照衰減要求比例衰減高電平時間，實現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)[8]。頻率不會改變，所以基頻不會變，但平均電壓降低，從而音量可被調(diào)節(jié)。這種方法的優(yōu)點是音源的頻率與開關(guān)管的工作頻率相同，因此效率高。缺點是基頻雖然不變，但音色卻改變，音量越小時，音色改變量越大[9-10]。且處理占空比很小的波形時脈寬過窄音色被改變。

二是用音源信號和占空比可調(diào)的信號相乘的方法也可實現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)[11]，但相乘的信號頻率應(yīng)在15 kHz以上。這種方案的優(yōu)點是改變音量時音色基本不變，但相乘的信號頻率為15 kHz以上。缺點為：(1)相乘信號的頻率很高，因此開關(guān)管工作在高速狀態(tài)下，效率降低；(2)要求相乘的信號波形的上升沿與音源波形的上升沿必須同步，否則產(chǎn)生噪音；(3)以連續(xù)調(diào)頻改變量較慢時，隨周期變短則減少一個高頻脈沖，音量減少一些，因此小音量時可出現(xiàn)嚴(yán)重的周期性的“嘟、嘟”聲音[12-13]。且處理占空比很小的波形時脈寬過窄音色被改變。

還有一種方法是使用D類放大器可連續(xù)改變音量，但電路復(fù)雜、成本很高[14]。

2 脈沖功率放大器的總體設(shè)計

2.1 整體設(shè)計框圖

整體電路框圖如圖1所示，由輸出電壓可調(diào)的BUCK型變換器把24 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成1.2～24 V連續(xù)改變的電壓，由音量調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖1 整體電路框圖

寬電壓范圍工作的脈沖功率驅(qū)動器將1.2～24 V電壓轉(zhuǎn)換成與音源相對應(yīng)的脈沖幅度，從而可連續(xù)改變音量。報警音源由MK6A12單片機產(chǎn)生后提供給寬電壓范圍工作的脈沖功率驅(qū)動器。

2.2 輸出電壓可變的BUCK型驅(qū)動電源設(shè)計

LM2596ADJ芯片的最大工作電壓為45 V，可輸出1.2～37 V的電壓，負(fù)載電流為3 A占空比在0～100%范圍內(nèi)工作，輸出3 A時效率為90%，外圍元件較少[15]。圖2為工作電路圖，把24 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成1.2～24 V連續(xù)改變的電壓。

圖2 BUCK型驅(qū)動電源電路圖

當(dāng)調(diào)節(jié)輸出電壓時為了提高跟蹤能力，采用恒流型反饋模式，在1.2～24 V范圍內(nèi)對輸出電容C0具有恒流放電能力。反饋端的UFB=1.235 V，R1=1 kΩ，則R1的電流由式(1)決定，與輸出電壓UO無關(guān)

(1)

當(dāng)UO的分壓值達(dá)到UFB時，芯片開始通過反饋控制輸出電壓，即滿足式(2)

(2)

RX為音量調(diào)節(jié)電位器的阻值，由式(2)可得輸出電壓式(3)，可知最小電壓為UFB

UO=UFB(1+RX/R1)

(3)

RX使用20 kΩ標(biāo)稱值的電位器，則可得到約為26 V的最大電壓，由于芯片的工作電壓為24 V，實際可輸出24 V的最大電壓。由于BUCK變換器的輸出電壓作為脈沖幅度提供給揚聲器，因此要求調(diào)節(jié)電壓時不能存在10 kHz以下的脈動電壓，否則在揚聲器發(fā)出干擾聲音。

2.3 脈沖功率驅(qū)動級設(shè)計

圖3為在1～100 V寬電壓范圍內(nèi)工作的自舉方式的脈沖功率驅(qū)動級電路圖。采用BTL驅(qū)動方式D2、R2、C2組成自舉電路，保證A點的電壓總是高于B點約為5 V，從而Q1可靠地飽和導(dǎo)通。

S_OUT1和S_OUT2由音源單片機提供互為反相，當(dāng)信號為高電平時Q3、D4導(dǎo)通，B點的電壓約為0.3 V則C2通過D2充電，充電電壓約為4.7 V。當(dāng)信號為低電平時Q3、D4截止，A點的電壓開始上升，Q1開始導(dǎo)通。由于A點的電壓被C2的電壓自舉，因此A點的電壓總是高于B點約為5 V，從而Q1可靠地飽和導(dǎo)通。B點和C點的電壓總是反相，因此負(fù)載獲得約為24-0.6=23.4 V的驅(qū)動電壓。

圖3 自舉方式的脈沖功率驅(qū)動級電路圖

2.4 驅(qū)動用音源的設(shè)計

圖4為由MK6A12單片機組成的音源電路。使用內(nèi)部4 MHz頻率PB口除了PB3以外都具有上拉能力，所以無需上拉電阻，通過3位DIP開關(guān)S1可組合出8種狀態(tài)，可輸出8種音源。PB0和PB1具有20 mA的驅(qū)動能力且頻率低于2 kHz，可直接驅(qū)動Q3、Q4場效應(yīng)管也能獲得理想的驅(qū)動波形。

圖4 MK6A12單片機組成的音源電路

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

圖5～圖7分別為BUCK變換器輸出電壓分別為1.3 V、12 V、23 V時各點電壓的波形。

圖5 輸入電壓為1.3 V時各點電壓波形圖

圖6 輸入電壓為12 V時各點電壓波形圖

圖7 輸入電壓為23 V時各點電壓波形圖

實驗表明，由于這種脈沖驅(qū)動器使用了場效應(yīng)管作為開關(guān)管，可工作1～100 V寬電壓范圍內(nèi)，工作頻率可達(dá)20 kHz，可以滿足驅(qū)動2 kHz以下音源頻率的要求。

3.2 輸出功率分析

通常使用的報警器用揚聲器電阻RL為6 Ω和8 Ω兩種，為便于計算不考慮阻抗因素，當(dāng)輸出24 V時電流分別為3.87 A和3 A,由于LM2596芯片的最大負(fù)載電流為3 A,因此根據(jù)式(4)可得最大輸出功率為6 Ω時54 W，8 Ω時72 W。實際輸出時應(yīng)考慮阻抗因素，因此輸出功率略為降低

P=I2RL

(4)

如果需要更大的功率則提高工作電壓到40 V，并選用LM22679芯片,該芯片的最大工作電壓為43 V，負(fù)載電流為5 A，外圍元件也較少。

4 結(jié)束語

實驗證明，當(dāng)輸入不同的音源，并且連續(xù)改變音量時的效果很好，特別是輸入窄脈沖的音源時音色不變。輸出50 W以上的瞬時功率時整個電路變換效率>85%，且具有整體電路簡單、工作穩(wěn)定、維護(hù)簡單的特點。利用這種方式可避免使用價格昂貴的D類放大器，且能達(dá)到比D類放大器更好的音色效果、從而可大幅降低成本，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)和競爭能力。

[1] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB50116-2008火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京:國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2008.

[2] 江曉安,董秀峰.模擬電子技術(shù)[M].3版. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

[3] 金山海,鄭春善,孫立紅.基于開關(guān)調(diào)節(jié)音量的大功率報警器設(shè)計[J].延邊大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007(1):63-66.

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[6] 金永鎬,姜欣欣.基于MK6A11P單片機的寬電壓智能型爆閃燈的設(shè)計[J].電子科技,2010,23(10):46-48,52.

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Design of High Power Pulse Power Amplifier Based on BUCK Converter

WANG Deqi，F(xiàn)ANG Siran，JIN Yonggao

(School of Engineering,Yanbian University，Yanji 133000，China)

Put forward a way to use the alarm based on BUCK converter with high power pulse power amplifier, the pulse power amplifier adopts the BUCK converter, continuously changing the input voltage to 1.2 ～ 30 V, then provided to the pulse power driver stage by bootstrap mode, so as to realize the volume is continuously adjusted. The power can output more than 50 W and the efficiency can reach above 90%.Using this approach can avoid to use the expensive class of D-amplifier, the whole circuit is simple,stable and easy maintenance, can greatly reduce the cost and improve the production capacity and product competition ability.

BUCK converter;bootstrap mode;adjust the volume;efficiency;simple circuit

2016- 09- 14

王德琦(1995-)，男，本科。研究方向：智能開關(guān)技術(shù)及智能變換。方思然(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：智能開關(guān)技術(shù)及智能變換。金永鎬(1964-)，男，博士，教授。研究方向：智能開關(guān)技術(shù)及智能變換。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.045

TM925.9

A

1007-7820(2017)08-162-04