采用双闭环控制提高PWM的电源纹波抑制

摘要：文章提出了一种新的调制技术，以提高数字脉冲宽度调制器(PWM)的电源纹波抑制。这种调制技术的特点是使用两个反馈点(开关节点和输出点)，以使在相对低的开关频率下实现高增益和高带宽。由此能够得到高环路增益，提高电源纹波抑制比。通过系统仿真及实验测试证实，与理论分析基本一致。此技术可用于高性能要求的直流电源变换器及高保真音频功率放大器。

关键词：脉冲宽度调制(PWM);带宽;增益;纹波抑制

0 引言

0. 1 背景

与传统的A类和AB类功放相比，D类放大器由于其高效率，在电机驱动和不问断电源中得到广泛的应用。出于同样的原因，D类放大器也在各类音频放大器应用中受到青睐。

特别随着便携式、嵌入式电子产品不断向小型化发展，集成度不断的提高，功耗和效率成为设计中的重要约束。为了满足这些约束，人们对D类放大器做了大量的研究和设计，都是围绕提高D类放大器的带宽、线性和总体保真度采用不同的控制方案。

与目前为止所有方案不同的是，本文提出的D类放大器采用了双闭环反馈控制方案，突破了在现实的载频下谐波失真及噪声(THD+N)和线性度指标得到满足。其中一个回路用来稳定系统中的高速循环，出于稳定性原因，这个循环被局限在二阶。另一个环路用于带宽增益，它是不负责系统的稳定性的，这允许第二环路可以比二阶环路更高。由此能够得到高环路增益，提高了电源纹波抑制比。

0.2 基本D类放大器

图1显示了一个基本D类放大器，其结构同一个降压转换器。电路中，半桥式MOSFET开关作功率级。正、负电源(+Vpw和-Vpw)经功率开关调制后，通过低通滤波器(LPF)输出。

A(S)模块和比较器一起作为该系统的误差放大器。该系统的典型输入是一个可以改变频率的纯音频正弦波形，带宽20Hz到20kHz。随着开关频率纹波的加入，输出波形试图跟踪输入，并因此与输入信号具有相同的基本形状。输入和输出反馈信号被送入A(S)模块生成差分信号，与三角波形进行比较生成PWM信号控制功率开关的输出。三角波形具有固定的幅度和频率，工作频率通常选择为350kHz到1MHz。这两个模块一起工作的增益是A(S)的拉普拉斯方程与三角波振幅VAMP两倍的倒数的乘积。

这个系统总的环路增益由式1给出。环路增益方程里面有LPF(s)模块。这将引起一个稳定问题， 需要2型或3型的补偿用来实现良好的DC增益和稳定性。这种类型的补偿是增益和带宽的权衡。因为一个增加，另一个必须减小。正是由于这个原因，以下的改进设计用来扩大D类放大器的带宽和环路增益。

1 系统建模

1.1 系统概述

本文提出的D类放大器控制方案如图2所示。该系统有两个反馈路径，三个有源滤波器(HM(s)、HA(s)、HLPF(s))，一个无源滤波器(LPF(s))，和一个比较器模块。该控制方案具有在功率开关节点的反馈，同时具有最终输出电压的反馈，保证滤波器输出的任何非线性可以纠正。添加HLPF模块是为匹配LPF，HM是为保证稳定性。

功率MOSFET模块和模拟比较器为一体，本质上是非线性的，但它可以线性地建模。当滤波器运行在它们的线性工作范围内时，比较器是该系统唯一的非线性模块。开发用于比较器的线性模型将允许通过转换函数线性地描述该系统。

1.2 比较器的线性模型

为了更好地理解，并制定一个比较器的建模方法，探讨理想的自然采样PWM(NSPWM)信号是非常重要的。可以用图3所示的电路来产生一个理想的NSPWM信号。电路的缓慢的基带输入信号与三角载波波形相比来产生NSPWM信号。

设计一个比较器的模型，也必须充分了解高频信息，因为它是确定比较器增益的决定因素。为了更好地理解高频信息，令输入基带信号为零幅值，该NSPWM信号就是一个50%占空比的方波，此时在输出的所有信息中就只有含高频的三角波。

当基带输入为V输入幅度的DC时，分析一个载波周期的NSPWM信号，可以推导比较器的线性模型。

式2给出了比较器的的最终线性模型。

1.3 传递函数和环路增益

安插控制模块的所有线性模型，就可以得出一个控制方案的传递函数。图5显示了控制方案的完整框图。使用线性代数，可以推导这种系统的传递函数和环路增益，式3和式4。

2 系统设计

2.1 环路增益方程分析

环路增益公式是由加在一起的两个项组成。

一个项可以主导环路增益方程，而另一个的影响是可忽略的。图6显示了一个满足建模要求的，并且保持较高环路增益的系统设计的波特图。在放大器的带宽内LE(s)主导环路增益。超出了上限开关频率时，低阶的LM(s)占主导地位。

LM(s)也必须被设计成类似于一个积分器，以使在信号达到开关频率上限时该比较器的建模方法仍然是有效的。

2.2 系统单元设计

高保真放大器需要在放大器的