Способ управления линейно-импульсного усилителя мощности с параллельным включением каналов
Владельцы патента RU 2320079:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики" (RU)
Изобретение относится к технике усиления мощности (УМ) электрических сигналов (С) и может быть использовано в УМ акустических систем, автоматики, измерительной и преобразовательной техники. Техническим результатом является снижение уровня паразитных гармоник в выходном напряжении УМ. Способ управления состоит в том, что выходные токи параллельно включенных линейного (ЛК) и импульсного (ИК) каналов усиления суммируют на общей нагрузке, на ЛК подают сигнал управления, равный разности входного С и части выходного напряжения УМ, измеряют выходной ток ЛК и используют его для управления ИК, с помощью которого коммутируют в нагрузку импульсы положительной или отрицательной полярности и возвратом к нулю, которые фильтруют с помощью дросселя. Новым в способе управления является то, что С датчика тока используют для управления широтно-импульсной модуляции с фиксированной частотой. Выходной С тока ЛК сравнивают с двумя линейно-изменяющимися (ЛИН) противофазными напряжениями, меняющимися от заданной величины до нуля. ИК работает при больших мощностях выходных сигналов УМ и обеспечивает только часть динамического диапазона воспроизводимых сигналов. В случае малых входных сигналов и токах нагрузки, меньших по модулю, чем заданные нижние уровни положительной и отрицательной полярности в течение заданною времени, большего чем период ЛИН, ИК переводят в третье, запертое состояние. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технике усиления мощности электрических сигналов и может быть использовано в усилителях мощности акустических систем, а также в устройствах автоматики, измерительной и преобразовательной техники.
Известны усилители мощности электрических сигналов с последовательно включенными линейным (например класса АВ - усиления) и импульсным (класса D - усиления) каналами [1]. Для управления импульсным каналом используют цифровой задающий сигнал, который компрессируют. Цифровой сигнал преобразуют в широтно-модулированный импульсный сигнал. На выходе импульсного канала мощный импульсный сигнал фильтруют.
Выходной сигнал импульсного канала суммируют с положительным и отрицательным напряжениями небольшой величины и полученные напряжения используют для питания линейного канала. С помощью линейного канала осуществляют линейное усиление задающего сигнала. Поскольку ток линейного канала равен току нагрузки, его мощность и потери оказываются сравнительно большими.
Наиболее близким по технической сущности является способ управления преобразователем электрической энергии с параллельно включенными линейным и импульсным каналами [2]. С помощью линейного канала (например, класса АВ) усиливают задающий сигнал. При этом выходной ток линейного канала измеряют и используют для управления импульсным каналом по релейному закону. С помощью импульсного канала (класса D) посредством широтно-импульсной модуляции производят коммутацию энергии в нагрузку в соответствии с сигналом выходного тока линейного канала и одновременно его ограничение в рамках заданных уставок. Выходное напряжение импульсного канала фильтруется с помощью дросселя и по форме повторяет задающий сигнал, а ток суммируется на нагрузке с током линейного канала. Линейный канал используют для усиления сигналов малой мощности и дополнительной фильтрации выходного напряжения импульсного сигнала, что обеспечивает качественные характеристики воспроизведения сигнала.
Полярность выходных импульсов импульсного канала задают путем использования соответствующей полуплоскости релейной характеристики, в пределах которой изменяется выходной ток линейного канала. При малых задающих сигналах или во время паузы напряжение на выходе импульсного канала равно нулю. Такой вид широтно-импульсной модуляции принято называть модуляцией с возвратом выходных импульсов к нулю.
Частота модуляции в таком усилителе непостоянна и, например, при больших задающих сигналах и мощности на нагрузке значительно снижается. С другой стороны, при усилении сигналов относительно малой величины или в случае малой нагрузки частота импульсов модуляции также снижается и может достигать весьма малой величины. При этом на выходе усилителя увеличиваются паразитные гармоники, частоты которых попадают в диапазон рабочих частот усилителя.
Решение задачи уменьшения паразитных гармоник в выходном напряжении усилителя осуществляется путем введения широтно-импульсной модуляции с фиксированной частотой. Частота модуляции выбирается большей, чем возможная наибольшая частота усиливаемого сигнала.
Техническим результатом заявляемого решения является снижение уровня паразитных гармоник в выходном напряжении усилителя и уменьшение веса и габаритов выходного фильтра.
Сущность предлагаемого способа управления состоит в том, что для управления импульсным каналом с широтно-импульсной модуляцией с фиксированной частотой выходной сигнал тока линейного канала сравнивают с первым линейно-изменяющимся напряжением, меняющимся от заданной максимальной величины положительной полярности до нуля, и вторым напряжением, линейно-изменяющимся от такой же по модулю отрицательной величины до нуля. При равенстве сигнала тока линейного канала и линейно-изменяющегося напряжения с помощью импульсного канала формируют импульс той же полярности и блокируют последующую возможность его формирования на том же периоде линейно-изменяющегося напряжения, а при окончании этого периода осуществляют возврат к нулю выходного напряжения импульсного канала. Одновременно, если на интервале паузы выходного напряжения импульсного канала выходной ток линейного канала превысил заданные максимальные уровни положительной или отрицательной полярности, большие или равные максимальному значению линейно-изменяющегося напряжения, то на время до конца периода линейно-изменяющегося напряжения формируют импульс той же полярности. Если превышение выходного тока линейного канала происходит на интервале импульса, осуществляют возврат к нулю выходного напряжения импульсного канала.
Импульсный канал работает при больших мощностях выходных сигналов усилителя мощности и обеспечивает только часть динамического диапазона воспроизводимых сигналов. В случае малых входных сигналов и токах нагрузки, меньших по модулю, чем заданный нижний уровень (положительной и отрицательной полярности) в течение заданного времени, большего, чем период линейно-изменяющегося напряжения, импульсный канал переводят в третье, запертое состояние.
На фигуре 1 изображены диаграммы напряжений и токов, поясняющие заявляемый способ управления линейно-импульсного усилителя мощности электрических сигналов; с помощью фигуры 2 показана кривая выходного тока линейного канала в увеличенном масштабе, а на фигуре 3 приведена функциональная блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
На диаграмме 1.1 (фигура 1) приведены кривая 1 выходного тока усилителя, ломаная 2 напряжения, коммутируемого импульсным каналом, и ломаная 3 тока импульсного канала. Пунктирными линиями отмечены моменты формирования напряжений импульсного канала. С помощью диаграммы 1.2 показаны ломаная 4 тока линейного канала и прямые 5 и 6 линейно-изменяющегося напряжения. На диаграмме изображены горизонтальные линии 7 и 8 уставок ограничения тока линейного канала. С помощью участка 9 ломаной 3 тока импульсного канала и участка 10 ломаной 4 выделен процесс ограничения тока линейного канала на интервале импульса, а с помощью участков 11 и 12 на интервале паузы.
Фрагмент процессов, обведенных окружностью на диаграмме 1.2 фигуры 1, изображен в увеличенном масштабе на фигуре 2. Вместе с этим на фигуре 2 показан период ТЛИН повторения линейно-изменяющихся напряжений 5 и 6 и нижние пороговые уровни 13 и 14 отключения импульсного канала.
Устройство для осуществления предлагаемого способа управления линейно-импульсного усилителя мощности (фигура 3) состоит из линейного 15 и импульсного 16 каналов усиления мощности электрических сигналов, подключенных к нагрузке параллельно через датчик тока 17 и дроссель 18. Обработка сигналов, в частности задающего и выходного, а также сигнала датчика тока осуществляется с помощью процессора 19 цифровой обработки сигналов. Управление работой узлов усилителя и взаимодействие с внешними устройствами возложено на контроллер 20.
Способ управления линейно-импульсного усилителя мощности осуществляется следующим образом.
Задающий сигнал UВх в цифровой или аналоговой форме поступает на соответствующие входы цифрового процессора сигналов 19. На вход процессора подают сигнал отрицательной обратной связи по напряжению с выхода усилителя (UВых). В случае необходимости задающий сигнал усиливается, фильтруется. Параметры обработки сигналов (усиление, параметры фильтрации и так далее) задают путем внешнего управления с помощью контроллера 20. В результате на выходе линейного канала 15 и, следовательно, всего усилителя получается напряжение, соответствующее задающему сигналу с точностью, определяемой параметрами линейного канала усиления.
Ограничение выходного тока линейного канала в рамках заданных опорных сигналов и, следовательно, его мощности производят с помощью импульсного канала путем соответствующей коммутации напряжения (ломаная 2 на фигуре 1). Для этого выходной ток (ломаная 4) линейного канала 15 усиления измеряют с помощью датчика тока 17 на фигуре 2 и подают на вход процессора сигналов 19. С помощью процессора реализуют функцию широтно-импульсной модуляции выходного напряжения импульсного канала. При этом несущую частоту импульсов модуляции задают постоянной, а управляющим является сигнал выходного тока линейного канала.
Сигнал выходного тока 4 линейного канала сравнивают с симметричными сигналами 5 и 6 линейно-изменяющихся напряжений заданной частоты. Линейно-изменяющиеся сигналы спадают от максимального по модулю значения до нуля. В течение каждого периода несущей частоты формируют один импульс соответствующей полярности, а его возврат к нулю производят по окончании периода или при достижении тока линейного канала максимально допустимого значения. Максимально допустимое значение тока 4 линейного канала определяется симметричными уставками 7 и 8, которые, как правило, задают равными максимальному значению сигналов 5 и 6 линейно-изменяющегося напряжения.
Передний фронт каждого импульса формируют в момент равенства сигнала тока линейного канала и сигнала линейно-изменяющегося напряжения. В случае равенства сигнала тока линейного канала линейно-изменяющемуся сигналу положительной полярности формируют импульс положительной полярности. При этом ток линейного канала уменьшается и меняет свою полярность. Возврат к нулю импульса производят в момент окончания периода линейно-изменяющегося напряжения. Аналогично производят формирование импульсов отрицательной полярности.
В отдельных случаях, например таких, как на интервале, показанном на фигуре 1 с помощью отрезков кривых 9 и 10, ток линейного канала может превысить предельно допустимое значение в течение длительности импульса, до окончания периода несущей частоты. Когда значение тока становится равным значениям уставок 7 или 8, производят возврат импульса к нулю.
В общем случае ток линейного канала может превысить предельно допустимое значение во время паузы импульсного канала, оказавшись по модулю больше линейно-изменяющегося напряжения, как это показано с помощью отрезков 11 и 12 на фигурах 1 и 2. Причиной такого явления могут быть, например, высокочастотные составляющие спектра входного (управляющего) сигнала усилителя, превышающие частоту линейно-изменяющего сигнала, емкостная нагрузка и другие. В таких случаях производят формирование импульса, имеющего полярность, соответствующую сигналу тока линейного канала (смотри фигуру 2). Таким образом, при любых перечисленных условиях несущая период модуляции остается постоянной.
Широтно-импульсный принцип регулирования энергии имеет ограниченный динамический диапазон преобразования величины тока линейного канала в величину длительности импульсов. При малых входных сигналах и малой нагрузке, сравнимых с нижним уровнем динамического диапазона широтно-импульсного модулятора, процесс модуляции оказывается относительно неустойчивым, что приводит к дополнительным шумам и потерям энергии. Поэтому при сигналах датчика тока меньших, чем заданные положительный (прямая 13 на фигуре 2) и отрицательный (прямая 14) пороговые уровни, формирование импульсов не производят.
При малых мощностях усиливаемых сигналов, по истечении нескольких периодов без формирования импульсов линейный канал оказывается нагруженным на дроссель сравнительно малой индуктивности и ключ импульсного канала, замыкающий его выход на общий вывод. Для устранения этой нагрузки импульсный канал запирают по истечении интервала времени, определяемого постоянной времени дросселя и превышающего период линейно-изменяющегося напряжения. При этом выходное сопротивление импульсного канала возрастает до величины, большей, чем сопротивление нагрузки.
В результате использования прелагаемого способа управления линейно-импульсного усилителя мощности несущая частота модуляции остается практически постоянной. Возможны лишь незначительные фазовые сдвиги импульсов модуляции либо их пропадание при малых мощностях. Это позволяет снизить уровень помех на выходе усилителя и уменьшить габариты фильтров.
Литература
1. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М., «Энергия», 1980, с.15.
2. Авторское свидетельство СССР №1615852, кл. Н02М 7/537, 1987.
1. Способ управления линейно-импульсного усилителя мощности электрических сигналов, содержащего параллельные линейный и импульсный каналы усиления электрических сигналов, которые суммируют на общей нагрузке, состоящий в том, что на линейный канал подают сигнал управления, равный усиленной разности входного задающего сигнала и части выходного напряжения усилителя, измеряют выходной ток линейного канала и используют его для управления импульсным каналом, с помощью которого коммутируют в нагрузку импульсы положительной или отрицательной полярности, которые фильтруют с помощью дросселя, отличающийся тем, что выходной сигнал тока линейного канала сравнивают с первым линейно-изменяющимся напряжением, меняющимся от заданной максимальной величины положительной полярности до нуля и вторым напряжением линейно-изменяющимся от такой же по модулю отрицательной величины до нуля, в момент равенства сигнала тока и линейно-изменяющегося напряжения с помощью импульсного канала включают импульс той же полярности и блокируют последующую возможность его включения на том же периоде, а при окончании периода линейно-изменяющегося напряжения импульс выключают, одновременно, если на интервале паузы выходной ток линейного канала превысил заданные максимальные уровни положительной или отрицательной полярности, большие или равные максимальному значению линейно-изменяющегося напряжения, то на время до конца его периода коммутируют импульс той же полярности, если превышение происходит на интервале импульса, его выключают.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при токах линейного канала, меньших чем заданные нижние положительный и отрицательный уровни в течение заданного времени, большего чем период линейно-изменяющегося напряжения, импульсный канал переводят в третье, запертое состояние.
