2篇7章 功率电路(新)

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第七章 功率变换电路

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1、从功率变换的角度讨论放大电路如何有效地将 直流供电电源的能量转换为负载所需要的信号 功率。 2、如何将交流电网的能量转换为电子电路所要求 的直流电能。 主要讨论：

低频功率放大电路

直流稳压电路

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2.7.1 功率放大电路的特点和基本类型 一、 主要特点 由于输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大 电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非 线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先 要考虑的问题。 输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑 转换的效率。

半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考 虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题， 并要有适当的保护措施。

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输出功率：功率放大电路提供给负载的信号功率 若输入为正弦波，输出功率是交流功率。 电源提供的功率：电源输出电流平均值及其电压 之积，是直流功率。

转换效率：输出功率与电源提供的功率之比

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二、 基本类型1.甲类单管功放级+VCC Rb Cb+

VCC/RL

RL

VCC

vi-

为了取得最大的动态范围，必须使静态工作点Q位于负载线的中 点，静态管压降 VCEQ VCC / 2 ,静态电流I CQ V CC/(2RL ) 。 在正弦输入信号vi的驱动下，晶体管的电压和电流将在静态值的 基础上分别叠加交流成分： vCE VCEQ Vcem sin t iC I CQ I cm sin t

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因为集电极交流电流也为正弦波，电源输出的平均电流为ICQ, +VCC 因而电源提供的功率不变PE VCC I CQ2 负载上得到的输出信号功率为 PO 1 I cm RL

Rb Cb+

RL

2

由此可得该功率输出级的效率为1 2 I cm RL 输出信号功率PO 2 电源提供的功率 E P VCC I CQ

vi-

当晶体管处于最大不失真输出时，如不考虑 其饱和压降VCES,则极限情况下 Vcem VCC / 2 I cm V CC/(2RL ) 该类电路的理想效率为 2 VCC /(8RL ) 2 25%VCC /(2RL )

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可见这类放大器的功率转换效率很低(若采用变压器耦合单管 功放级，则理想效率可达50%),原因是电源VCC所提供的总 功率中，大部分消耗在晶体管的管耗和负载电阻的直流功耗上 了。这类单管放大器由于不允许在一个周期内出现截止失真， 所以必须取 I CQ I cm ,这显然是造成较大管耗和负载直流功耗 的根源。 为了提高功率输出级的效率，人们设想能否使晶体管的静态 电流 I CQ 0 ?若这样，波形中将出现半个周期的截止区。 但如果再用另一个同样的电路，使之与前一个电路交替工作 (即前一电路中晶体管截止时，后一电路晶体管工作),则 负载上仍可得到完整的正弦波。我们把在一个周期内，要求 完整导通的放大器称为甲类放大器

,而对仅导通半个周期的 放大器(I CQ 0)称为乙类放大器。根据静态工作点的不同 设置，功率放大器可以工作在乙类θ=180 °,甲类θ=360° 和甲乙类θ=180°~360°(θ为导通角)。

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功率放大器的 工作点设置 乙类θ=180° 甲类θ=360° 甲乙类θ=180°~360°

乙类放大

甲类放大

甲乙类放大 ICQ略大于0

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2.乙类功率放大器乙类功率放大器主要有互补对称式和变压器耦合推 挽式两种类型 。 1。双电源供电的互补对称功放电路，又称OCL电 路(Output Capacitorless) 静态(vi=0)时，T1、T2 管均截止，VOQ=0 正半周(vi>0)时，T1管 导通，T2管截止， +VCC→T1→RL→GND 负半周(vi<0)时，T1 管截止，T2管导通， GND→RL→T2→-VCC

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2。单电源供电的互补对称 功放电路，又称OTL电路 (Output Transformerless)OTL功率放大器由于静态 ' 时vo VCC / 2 , 所以要求输 入端(T1、T2基极)上的静 态电压也为 VCC / 2 ,即vI (VCC / 2) vi

大容量(几 百~几千 微法)的电 解电容器

OTL

而OCL电路的输入端上不 需要静态电压。

OCL

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单电源互补功放电路(OTL)的工作原理OTL功放电路与OCL功放电路的工作原理类似，都由NPN 和PNP管构成，但增加了一只大容量(几百~几千微法)的电 解电容器。 静态(vi=0)时，T1、T2管均截止， v o=VCC/2 ,所以电容C 上充有 VCC/2的电压，VOQ=0 正半周(vi>0)时，T1导通，T2截 止，+VCC→T1 →C →RL→GND。 电容充电。 负半周(vi<0)时，电容C上的电 压VCC/2作为电源，T1截止，T2导 通，电容放电， RL→ C → T2→GND 。负载上流过负半周 信号电流。

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2. 变压器耦合推挽式正半周(vi>0)时， v21为正，T1导通， v22为负，T2截止 输出正半周。

负半周(vi<0)时， v21为负，T1截止， v22为正，T2导通， Tr1、Tr2为输入和输出变压器； 输出负半周。 T1、T2为同极型对称推挽管； Rb1、Rb2提供静态偏置，克服交越 失真。

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变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比， 能找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最大，且 不失真)。并且，在不提高电源电压的条件下，可以 使输出电压幅度Vom超过电源电压。

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2.7.2 功率放大电路的分析计算 一、 功率放大电路的主要技术指标以双电源互补对称式(OCL)功率放大电路为例。

输出功率Po设输入： v i Vim sin t 则输出： v o Vom sin ti o (Vom / R L ) sin t Vom I om 输出功率：Po Vo I o 2 2Vom 2 2RL

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输出效率η输出效率是输出功率与电源提供的平均功率之比。

电源提供平均功率： 1 PE 2 VCC io d ( t ) 2 0 VCC Vom sin t d ( t ) 0 RL

2VCC Vom R L

输出效率: Po VomPE

Po Vo I o

Vom 2 2RL

Vom 2

I om 2

4 VCC

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最大输出功率及最大效率当输入信号幅度达到理想的最大值Vom VCC 时，输 出功率达到最大，此时输出效率也最大。Vom I om Vom Po Vo I o 2 2 2 RL 2 VCC Pom 2RL2V PE CC RL max 2

2

Po PE 4

78.5%

互补对称功放电路的工作波形

考虑功放管的饱和压降VCES时，Vom=VCC-VCES,实 际效率将小于78.5%(一般为60~70%)。

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管耗PT

Pom T1、T2二管的总管耗为： 2 2VCC Vom Vom PT PE Po R L 2RL

2 VCC 2RL

为求最大管耗PTM,对上式求导，并令dPT/dVom=0。

2VCC Vom dPT 2VCC 0 Vom 0.64VCC dVom R L RL 2 2VCC 4 2 Pom 0.4Pom 此时: PTM 2 RL (1)所以每个功放管的最大功耗为：(2) 功放管的耐压V >2VCC。(BR)CEO

PT1M PT 2M

1 PTM 0.2Pom 2

(3) 功放管允许的最大集电 极电流ICM>VCC/RL。

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二、功率管的选取在互补对称功率放大电路中，功放 管必须按以下几点原则选取： (1) 管子的功耗PCM>0.2Pomax。 (2) 功放管的耐压V (BR)CEO>2VCC。

(3) 功放管允许的最大集电极电流 ICM>VCC/RL。

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单电源互补对称式(OTL)功率放大电路

输出功率Po设输入： v i Vim sin t 则输出： v o Vom sin ti o (Vom / R L ) sin t Vom I om 输出功率：Po Vo I o 2 2Vom 2 2RL

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