用于电力载波输出的功率放大器设计

2010-11-02 09:35:49来源: 现代电子技术

  电力载波通信(Power line comrnunicaTIon,PLC)是电力系统特有的通信方式,电力载波通信是指利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络,只要有电线,就能进行数据传递。现在,PLC除了在远程抄表上有所应用外,随着家庭智能系统这个话题的兴起,也给PLC带来了一个新的舞台。在电力载波系统输出级,需要对调制好的信号进行放大,本文使用共射放大电路和OTL电路分别对电压和电流进行放大,为了控制输出信号的谐波失真率,对偏置电路和反馈电路进行了改进,同时在设计中考虑温度影响,使电路可以在室外环境中正常工作。

  1 放大器的设计要求和基本电路

  根据国家电网标准的要求,载波信号的总谐波失真应小于O.05%,由于需要在室外工作,所以电路需要能够在-30℃的环境中正常工作,输出功率应达到1 W。在本设计中,为了达到输出功率的需求,供电部分采用12 V直流供电,电源内阻为10 Ω。信号源为数/模转换芯片的输出信号,频率为132 kHz,信号电压峰值为2.5 V,芯片内阻为2 kΩ。负载为电力线,在仿真中采用如图1所示的人工电源网络模型。

人工电源网络模型

  基本电路如图2所示,Q9为前级放大,Q8,Q12为后级输出。输入与输出之间引入负反馈,调节增益,使得输出功率满足实际应用的需要,同时起到降低谐波失真的作用。前后级直接耦合,以简化电路,降低成本。

基本功率放大电路

  2 温度影响

  2.1 温度降低的影响及解决办法

  当温度降低时,使得晶体管集电极电流降低,而基极电流增大,当Q9基极电流增大时,R5电流增大,两端压降也随之增大,而R5左端电压为O.7 V基本不变,于是右端电压上升,使得静态工作点高于Vcc/2,于是输出波形的正半周顶端出现失真。

  解决方法:

  (1)被动温度适应法。加大负反馈降低增益,即R7的设定值降低,使得静态工作点的上升不至于使输出波形失真。缺点是降低了输出。把R7调整为3 kΩ,电路可以在-30℃下正常工作,基波3 V,三次谐波为1 mV。

  (2)主动温度补偿法:将R5设定为可变电阻,当温度降低时,降低R5阻值,使静态工作点保持不变,也就避免了输出波形的失真。

  2.2 温度上升的影响及解决办法

  使用推挽式输出级通常要通过偏置电路消除交越失真,最简单的方法是使用D7和D8两个二极管来实现。当负载电流较大时,三极管温度升高,be间电压降低,而二极管电流并不大,其正向导通电压Ve变化不大,这样,Vbe和Ve之间的电位差使得三极管中流过的电流加大,温度进一步上升,电位差更大,三极管电流也更大,最终使三极管发生热损坏。解决方法:

  (1)如图3所示,在2个三极管射极输出端串联2个电阻,限制电流。

串联电阻法

  (2)使用如图4所示的电路,将3个三极管靠近,使它们热耦合,则随着温度变化,Q3两端电压也会变化,从而抑制了热击穿。

热耦合方法

  当三极管功率不是太大时,可以直接使用二极管偏置。

  3 负反馈电路的改进

  将基本电路中的R8使用如图5所示的LC谐振电路代替,可以将132 kHz频率的信号正确反馈,而其他频率信号则被衰减至很小,从而改善输出波形。

选频反馈电路

  电容和电感的取值由公式公式来获得。谐振频率相同时,电容容量越小,电感数值越大,品质因数越大,选频特性越好,为了得到合适的负反馈,加入了电阻来调整品质因数。

  从表1可以看出,使用LC谐振作为负反馈可以在一定程度上抑制谐波失真。

两种反馈电路比较

  选频负反馈的使用使得电路只使用于特定频率的功率放大,若需要较大范围的频率响应,则不适合采用选频电路。

  4 偏置电路的改进

  使用图6所示的恒流源代替基本电路中的电阻R1,使得偏置电路中的电流不会受到输入端的影响,从而使输出端更加稳定,降低失真。

恒流源偏置电路

  由表2两者的对比可以看出,使用恒流源代替电阻可以使谐波失真大大降低,但是温度特性会变差,使用中需要注意温度补偿。

两种反馈电路比较

  温度特性变差,但相对其对谐波失真的改进来看,此影响很小,所以在电路中恒流源的引入是非常有意义的。

  5 提高输入电阻

  加入前面所述的选频负反馈电路之后,输入电阻变得很小,大概只有200~300 Ω,当信号源内阻变化时,会导致输出端波形变化很大,并可能出现严重失真。所以需要采取措施提高输入电阻,以降低信号源变化所带来的影响。

  方法1  通常可以采用射级跟随电路作为前级输入端的方法来提高输入电阻,此方法效果好,成本高。

  方法2  当对输入电阻阻值要求不是太大时,可以简单的在输入端串联一定数值的电阻,来达到提高输入电阻的目的,此方法实现简单,成本低。

  在本应用中,信号由特定DA芯片提供,信号源内阻变化不大,适合采用第2种方法。

  6 晶体管的选择

  最大管压降:电源采用了12 V供电,所以晶体管最大管压降应大于12 V;最大电流:经PSpice仿真,测得输出级的2个三极管最大电流为150 mA,电流源和前级放大晶体管小于10 mA;最大功耗:经PSpice仿真,测得输出级的2个三极管最大瞬时功耗550 mW,前级放大晶体管最大瞬时功耗小于60 mW;工作温度:产品需要能在室外环境中正常工作;频率特性:截止频率大于300 kHz;综合考虑,选择2N3904和N3906晶体管。

  7 改进后的电路图及性能

  根据前面所述的方法对开始的基本电路进行改进,得到最后的实用电路,如图7所示。电源:+12 V,内阻10 Ω;输出信号总谐波失真率约O.05%;输入阻抗:1.2 kΩ。输出阻抗:6 Ω;输出电压:8.3 V;最低工作温度:-30℃。

改进后的功率放大电路

  8 结语

  本文从最基本功率放大电路着手,从多个方面对其进行改进,获得了较高的谐波失真性能和较高的输出功率,最终电路能够满足国家电网标准的要求和实际应用的需求。

关键字:电力  载波输出  功率放大器

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/1102/article_2670.html
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