專利名稱：變負(fù)載閉環(huán)e類放大器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電器技術(shù)領(lǐng)域的放大器的設(shè)計(jì)方法，尤其一種變負(fù)載閉環(huán) E類放大器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
E類功率放大器由于其效率高而電路又簡單，廣泛應(yīng)用于射頻、DC/AC變換、 DC/DC變換、無線能量傳輸?shù)戎T多領(lǐng)域，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，如無線能量傳輸系統(tǒng)， 初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的距離和位置會(huì)受運(yùn)動(dòng)等因素影響而發(fā)生變化，引起兩線圈的 耦合系數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致次級(jí)線圈歸算到初級(jí)的等效阻抗變化，使E類放大器偏離 最優(yōu)狀態(tài)，系統(tǒng)效率降低且輸出功率變化，不利于次級(jí)端精密儀器的正常工作。為 了讓E類放大器始終工作在最優(yōu)狀態(tài)，達(dá)到最高效率， 一般通過設(shè)計(jì)閉環(huán)E類放大 器來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)閉環(huán)E類放大器的關(guān)鍵是通過提取負(fù)載支路的電氣特征來控制E類 放大器的驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率和占空比。
經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索，國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有閉環(huán)E類放大器方面的文獻(xiàn)和專 利，在國外，美國電氣與電子工程協(xié)會(huì)下屬期刊電路與系統(tǒng)(IEEE Transactions on circuits and systems)在2005年第52巻5期刊載的文章《一種基于E類放大器 的感應(yīng)能量傳輸?shù)淖顑?yōu)設(shè)i十 (An optimal design methodology for inductive power link with class-E amplifier)》，該文作者通過E類放大器負(fù)載支路的電 流幅值來控制E類放大器開關(guān)激勵(lì)的占空比。然而，通過仿真可知，E類放大器負(fù) 載支路的電流最大值并不一定在E類放大器處于最優(yōu)狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)，會(huì)有少許的偏 差，并且僅控制開關(guān)的激勵(lì)頻率難于保證E類放大器工作在最優(yōu)狀態(tài)，還有系統(tǒng)的 輸出功率也會(huì)隨著頻率的變化而變動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種變負(fù)載閉環(huán)E類放大器的設(shè) 計(jì)方法，解決基于E類放大器的應(yīng)用電路中，負(fù)載變化時(shí)E類放大器的效率降低
3和輸出功率變化問題，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)，E類放大器始終工作在最優(yōu)狀態(tài)，輸 出功率保持恒定或按指定的方式變化。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，具體步驟如下 第一步，取E類放大器負(fù)載支路的相位信號(hào)為反饋量；
第二步，用該反饋量驅(qū)動(dòng)E類放大器控制單元，產(chǎn)生占空比和頻率按擬合函 數(shù)關(guān)系式變化的E類放大器開關(guān)激勵(lì)；
第三步，用該反饋量控制輸入電壓控制單元，產(chǎn)生按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的 輸入電壓。
所述的反饋量，是指鑒相器檢測(cè)的開關(guān)激勵(lì)與反饋信號(hào)的相位差。 所述的反饋信號(hào)，是取E類功率放大器負(fù)載支路串聯(lián)電容和串聯(lián)電感之間的 節(jié)點(diǎn)的相位。
第二步中所述的產(chǎn)生占空比和頻率，是指根據(jù)占空比與負(fù)載電阻和反饋量與 負(fù)載電阻的關(guān)系圖，得到占空比與反饋量的函數(shù)關(guān)系圖，并對(duì)該圖進(jìn)行擬合，得到 占空比為反饋量的擬合表達(dá)式；根據(jù)頻率與負(fù)載電阻和反饋量與負(fù)載電阻的關(guān)系 圖，得到頻率與反饋量的函數(shù)關(guān)系圖，并對(duì)該圖進(jìn)行擬合，得到頻率為反饋量的擬 合表達(dá)式。
第三步中所述用該反饋量控制輸入電壓控制單元，產(chǎn)生按按擬合函數(shù)關(guān)系式 變化的輸入電壓，是指根據(jù)輸入電壓與負(fù)載電阻和反饋與負(fù)載電阻的關(guān)系圖，得 到輸入電壓與反饋量的函數(shù)關(guān)系圖，對(duì)該關(guān)系圖進(jìn)行擬合，得到恒定輸出功率下輸 入電壓與反饋量的擬合表達(dá)式，或者任意給定曲線，使輸出功率按指定方式變化。
產(chǎn)生占空比和頻率按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的開關(guān)激勵(lì)時(shí)，E類放大器始終處于 最優(yōu)工作狀態(tài)。產(chǎn)生按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的輸入電壓時(shí)，E類放大器輸出功率按 指定方式變化。
本發(fā)明采用開關(guān)激勵(lì)電壓和負(fù)載支路電容與電感之間節(jié)點(diǎn)電壓的相位差為反 饋量& 。通過頻域穩(wěn)態(tài)電壓和電流波形的分析，可以得到反饋量&與負(fù)載電阻&的
關(guān)系為
=;r —^r+tan—(1)式中叫為開關(guān)激勵(lì)的角頻率，其值為％=2冗/， /為開關(guān)頻率；A為負(fù)載電阻，A 為負(fù)載支路串聯(lián)電感，^為開關(guān)激勵(lì)電壓相位與負(fù)載支路電流相位的相位差，其 值為
&=tan—1 i —C0《 (2) 2;r _ PD + sin ^
其中，^為占空比為Z)的開關(guān)激勵(lì)對(duì)應(yīng)的弧度，其值為^=27￡)。 負(fù)載&與開關(guān)激勵(lì)占空比"的函數(shù)關(guān)系表示為
^= " (3)
其中"=(6>Fcos26^+sin6>Dcos2ec)/2;r ，"二[sin6^+sin(6^ — &)]2/2 r ， ^ =2"1-D)，《《/2-&。
頻率叫可以表示為占空比D的函數(shù)表達(dá)式為
/ " 1 "、 叫=、——+—— (4)
其中，c為并聯(lián)電容。通過負(fù)載i ,與占空比的關(guān)系，間接求出頻率^與負(fù)載^的
函數(shù)關(guān)系。
在某一輸入功率P時(shí)，輸入電壓K皿可以表示為負(fù)載A和占空比D的函數(shù)關(guān)系 式，為
LhH^ (5)
其中，r =
々sin ^
P P P
sin & + 6>P cos i cos《+ 2 sin i cos <9r + 26>r sin i sin《
F e xF 2 2 e e 2
/2;r。
以上表達(dá)式與元件參數(shù)相關(guān)，在具體設(shè)計(jì)要求下，各個(gè)元件參數(shù)根據(jù)一般設(shè)計(jì) 方法可以確定。在各個(gè)元件參數(shù)確定情況下，繪制出占空比"、頻率叫和輸入電
壓F皿隨反饋量A變化的曲線圖形。根據(jù)這些曲線圖形，擬合出E類放大器激勵(lì)的占空比"、頻率叫和輸入電壓^D為反饋量^的函數(shù)關(guān)系式。通過擬合的表達(dá)式， 驅(qū)動(dòng)E類放大器控制單元和輸入電壓控制單元，實(shí)現(xiàn)在負(fù)載變化時(shí)，E類放大器始
終工作在最優(yōu)狀態(tài)且負(fù)載上的功率按指定方式變化。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明采用取E類放大器負(fù)載支 路的相位信號(hào)為反饋量，用反饋量控制E類放大器開關(guān)激勵(lì)的占空比和頻率，使E 類放大器負(fù)載變化時(shí)，E類放大器始終工作在最優(yōu)狀態(tài)；用反饋量控制輸入電壓， 使E類放大器在負(fù)載變化時(shí)，負(fù)載上的功率恒定或按給定的形式變化。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述-

圖1本發(fā)明實(shí)施例圖。
圖2開關(guān)激勵(lì)的占空比與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系圖。 圖3開關(guān)激勵(lì)的頻率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系圖。 圖4輸入電壓與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系圖。 圖5反饋量與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系圖。 圖6占空比與反饋量的函數(shù)關(guān)系圖。 圖7頻率與反饋量的函數(shù)關(guān)系圖。 圖8輸入電壓與反饋量的函數(shù)關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為 前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不 限于下述的實(shí)施例。
本實(shí)施例如圖l所示包括E類功率放大器1、鑒相器2、 E類放大器控制單 元3和輸入電壓控制單元4。 E類功率放大器1為一個(gè)基本的E類放大器電路，包 括一個(gè)開關(guān)晶體管5、 一個(gè)扼流線圈6、 一個(gè)并聯(lián)電容7和一條由串聯(lián)電感8、串 聯(lián)電容9以及負(fù)載電阻10組成的負(fù)載支路組成。在輸入電壓控制單元4給定的輸 入電壓ll、 E類放大器控制單元3給定的開關(guān)激勵(lì)12設(shè)計(jì)好的參數(shù)下，E類功率 放大器1能夠在負(fù)載電阻10上輸出給定的輸出功率，且此時(shí)E類功率放大器1處 于最優(yōu)狀態(tài)，效率最高。具體步驟過程如下
第一步，取E類放大器負(fù)載支路的相位信號(hào)為反饋量15;
第二步，用該反饋量15驅(qū)動(dòng)E類放大器控制單元3，產(chǎn)生占空比和頻率按擬 合函數(shù)關(guān)系式變化的E類放大器開關(guān)激勵(lì)12;
第三步，用該反饋量15控制輸入電壓控制單元4，產(chǎn)生按擬合函數(shù)關(guān)系式變
化輸入電壓11。
所述的反饋量15，是指鑒相器2檢測(cè)的開關(guān)激勵(lì)12與反饋信號(hào)的相位差。 所述的反饋信號(hào)，是取E類功率放大器1負(fù)載支路串聯(lián)電容9和串聯(lián)電感8 之間的節(jié)點(diǎn)13的相位。同理，節(jié)點(diǎn)14的電流相位會(huì)隨負(fù)載電阻10的變化而改變， 因此，可以用高頻磁環(huán)檢測(cè)出節(jié)點(diǎn)14的電流相位，同樣也可以用節(jié)點(diǎn)14的電流相 位為反饋信號(hào)。
第二步中所述的產(chǎn)生占空比和頻率，是指根據(jù)占空比與負(fù)載電阻IO和反饋 量15與負(fù)載電阻10的關(guān)系圖，如圖2、圖5，得到占空比與反饋量15的函數(shù)關(guān)系 圖，如圖6，并對(duì)該圖進(jìn)行擬合，得到占空比為反饋量15的擬合表達(dá)式，其中， 根據(jù)公式(3)得到占空比與負(fù)載電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如圖2，根據(jù)公式(l)、 (3)和
(4) ，得到反饋量15與負(fù)載電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如圖5;
根據(jù)頻率與負(fù)載電阻10和反饋量15與負(fù)載電阻10的關(guān)系圖如圖3、圖5，得 到頻率與反饋量15的函數(shù)關(guān)系圖如圖7，并對(duì)該圖進(jìn)行擬合，得到頻率為反饋量 15的擬合表達(dá)式，其中，根據(jù)公式(3)和(4)，得到頻率與負(fù)載電阻10的函數(shù)關(guān)系圖， 如圖3，根據(jù)公式(l)、 (3)和(4)，得到反饋量15與負(fù)載電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如 圖5。
第三步中所述用該反饋量15控制輸入電壓控制單元4，產(chǎn)生按按擬合函數(shù)關(guān) 系式變化的輸入電壓ll，是指根據(jù)輸入電壓11與負(fù)載電阻10和反饋量15與負(fù) 載電阻10的關(guān)系圖，如圖4、圖5，得到輸入電壓11與反饋量15的函數(shù)關(guān)系圖， 如圖8，對(duì)該關(guān)系圖進(jìn)行擬合，得到恒定輸出功率下輸入電壓11與反饋量15的擬 合表達(dá)式，或者任意給定曲線，使輸出功率按指定方式變化，其中，根據(jù)公式(3)和
(5) ，得到輸入電壓11與負(fù)載電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如圖4，根據(jù)公式(l)、 (3)和(4)， 得到反饋量15與負(fù)載電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如圖5。
7產(chǎn)生占空比和頻率按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的開關(guān)激勵(lì)時(shí)，E類放大器始終處于 最優(yōu)工作狀態(tài)；產(chǎn)生按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的輸入電壓吋，E類放大器輸出功率按 指定方式變化。
以下結(jié)合一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步的說明
1、 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，計(jì)算元件參數(shù)。
設(shè)計(jì)要求輸出電阻10: 50Q，輸出功率1W，占空比0.6，頻率lMHz，
品質(zhì)因數(shù)10。負(fù)載變化時(shí)要求負(fù)載上的輸入功率恒定不變。 根據(jù)電路的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算E類放大器的元件參數(shù)和輸入電壓11為
輸入電壓11為7.3V，扼流線圈6為346.7wH，并聯(lián)電容7為332.6pF，串聯(lián) 電感8為79.6wH，串聯(lián)電容9為346.3pF。
2、 根據(jù)公式(3)畫占空比與輸出電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如圖2所示，曲線17 為占空比隨負(fù)載阻抗10的變化趨勢(shì)，點(diǎn)16為工作點(diǎn)。
3、 根據(jù)公式(3)和(4)，得到頻率與輸出電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如圖3所示， 曲線19為頻率隨負(fù)載阻抗10的變化趨勢(shì)，點(diǎn)18為工作點(diǎn)。
4、 根據(jù)公式(3)和(5)，得到輸入電壓ll與輸入電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如圖4 所示，曲線21為輸入電壓11隨負(fù)載阻抗10的變化趨勢(shì)，點(diǎn)20為工作點(diǎn)。
5、 根據(jù)公式(l)、 (3)和(4)，得到反饋量15與輸入電阻10的函數(shù)關(guān)系圖，如 圖5所示，曲線23為反饋量15隨負(fù)載阻抗10的變化趨勢(shì)，點(diǎn)22為工作點(diǎn)。
6、 根據(jù)曲線17和曲線23得到占空比隨反饋量15的函數(shù)關(guān)系圖，如圖6所 示，曲線25為占空比隨反饋量15的變化趨勢(shì)，點(diǎn)24為工作點(diǎn)。曲線25近似為一 條直線，用一次多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合表達(dá)式為
D = -0.63886^+3.061 (6)
7、 根據(jù)曲線19和曲線23得到頻率隨反饋量15的函數(shù)關(guān)系圖，如圖7所示， 曲線27為頻率隨反饋量15的變化趨勢(shì)，點(diǎn)26為工作點(diǎn)。用二次多項(xiàng)式對(duì)曲線27 進(jìn)行擬合，擬合表達(dá)式為
叫=(1.0576^2 -6.2746^ +14.94) x106 (7)
8、 根據(jù)曲線21和曲線23得到輸入電壓11隨反饋量15的函數(shù)關(guān)系圖，如圖 8所示，曲線29為輸入電壓11隨反饋量的變化趨勢(shì)，點(diǎn)28為工作點(diǎn)。輸入電壓
811的變化范圍很大，把輸入電壓11限制在0-20V之間，在此區(qū)間內(nèi)，用二次多項(xiàng) 式對(duì)曲線29進(jìn)行擬合，擬合表達(dá)式為
F朋=32.966>-224碼+384 (8)
9、根據(jù)公式(6)、 (7)和(8)設(shè)計(jì)反饋環(huán)節(jié)，使開關(guān)激勵(lì)的占空比和頻率、輸入電 壓與反饋量的函數(shù)關(guān)系分別按公式(6)、 (7)和(8)變化。
實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，通過本法設(shè)計(jì)的閉環(huán)E類放大器，在負(fù)載變化時(shí)，E類 放大器始終工作于最優(yōu)狀態(tài)，系統(tǒng)的輸出功率按指定的方式變化。
權(quán)利要求
1、一種變負(fù)載閉環(huán)E類放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，具體步驟如下第一步，取E類放大器負(fù)載支路的相位信號(hào)為反饋量；第二步，用該反饋量驅(qū)動(dòng)E類放大器控制單元，產(chǎn)生占空比和頻率按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的E類放大器開關(guān)激勵(lì)；第三步，用該反饋量控制輸入電壓控制單元，產(chǎn)生按擬合函數(shù)關(guān)系式變化輸入電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述變負(fù)載閉環(huán)E類放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征是，所述 的反饋量，是指鑒相器檢測(cè)的開關(guān)激勵(lì)與反饋信號(hào)的相位差。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變負(fù)載閉環(huán)E類放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征是，所 述的反饋信號(hào)，是取E類功率放大器負(fù)載支路串聯(lián)電容和串聯(lián)電感之間的節(jié)點(diǎn)的相 位。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述變負(fù)載閉環(huán)E類放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征是，第二步中所述的產(chǎn)生占空比和頻率，是指根據(jù)占空比與負(fù)載電阻和反饋量與負(fù)載電阻的關(guān)系圖，得到占空比與反饋量的函數(shù)關(guān)系圖，并對(duì)該圖進(jìn)行擬合，得到占空比為 反饋量的擬合表達(dá)式；根據(jù)頻率與負(fù)載電阻和反饋量與負(fù)載電阻的關(guān)系圖，得到頻 率與反饋量的函數(shù)關(guān)系圖，并對(duì)該圖進(jìn)行擬合，得到頻率為反饋量的擬合表達(dá)式。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述變負(fù)載閉環(huán)E類放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征是，第三 步中所述用該反饋量控制輸入電壓控制單元，產(chǎn)生按按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的輸入 電壓，是指根據(jù)輸入電壓與負(fù)載和反饋與負(fù)載的關(guān)系圖，得到輸入電壓與反饋量 的函數(shù)關(guān)系圖，對(duì)該關(guān)系圖進(jìn)行擬合，得到恒定輸出功率下輸入電壓與反饋量的擬 合表達(dá)式，或者任意給定曲線，使輸出功率按指定方式變化。
6、根據(jù)權(quán)利要求1或4所述變負(fù)載閉環(huán)E類放大器的設(shè)計(jì)方法，其特征是， 所述的產(chǎn)生占空比和頻率按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的開關(guān)激勵(lì)時(shí)，E類放大器始終處 于最優(yōu)工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種變負(fù)載閉環(huán)E類放大器的設(shè)計(jì)方法，取E類放大器負(fù)載支路的相位信號(hào)為反饋量；用該反饋量驅(qū)動(dòng)E類放大器控制單元，產(chǎn)生占空比和頻率按擬合函數(shù)關(guān)系式變化的E類放大器開關(guān)激勵(lì)；用該反饋量控制輸入電壓控制單元，產(chǎn)生按擬合函數(shù)關(guān)系式變化輸入電壓。從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)，E類放大器始終工作在最優(yōu)狀態(tài)，輸出功率保持恒定或按指定的方式變化。
文檔編號(hào)H03F1/02GK101510759SQ20091004824
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者趙春宇, 陽天亮, 陳大躍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)