采用双闭环控制提高PWM的电源纹波抑制

通带中具有高线性度。而D类放大器有固有的非线性。为了克服这种类型放大器的非线性，环路增益必须高，以纠正任何非线性影响。在以下设计中，控制流程的各模块使得整个放大器的环路增益满足在20kHz的带宽范围内大于75分贝的要求。

2.2.1 低通滤波器LPF的设计

放大器的功率带宽直接受LPF(s)影响。对于放大器，为满足整体功率带宽需求，低通滤波器LPF(s)模块必须是平坦的，并且单位增益靠近功率带宽需求。LPF(s)是一个二阶的电感、电容和电阻的无源滤波器。设计LPF模块具有一个转折频率，满足功率带宽要求和品质因数Q为1。

图7显示了低通滤波器模块的原理图。图8为其等效方框图。该模块的理论响应由图9和图10示出。

2.2.2 HLPF设计

为了保持内部信号到最低时，HLPF模块与LPF模块匹配。HLPF滤波器将具有和LPF模块相同的转折频率和Q值。从LPF模块中电容器引入附加零点，添加到HLPF模块，实现模块之间较好的匹配。

图11显示了HLPF块的原理图。图12为等效方框图。响应特性与图9和图10相同。

2.2.3 HM的设计

HM(S)直接影响到DC环路增益。HM(S)在开关频率的幅度是DC环路增益的主导因素。HM(S)也必须在开关频率的范围内作一个积分器。构建 HM(S)为双极单零点滤波器实现了这一目标。零点位置是DC环路增益和在开关频率点的相位误差之间的平衡。极点位置被用来确定DC环路增益和L(S)的过渡区域。

图13显示了HM模块原理图。图14显示其等效方框图。模块的响应在图15和图16。

2.2. 4 HA的设计

为了保持稳定，HA(S)滤波器类型及零点选择与HA(S)相同。HA(S)极点的位置设置要确保在带宽内环路增益足够高，满足放大器的线性度要求。HA(S)滤波器的Q值设置为1，以提高带宽频率内的环路增益。

图17显示了HA原理图。图18显示其等效方框图。HA的响应在图19和图20。

2.2.5 HC设计

由于稳定性的原因，HC(S)模块的延迟将被保持到最小。如果模块引入过多的延迟，整个系统会变得不稳定。在测试电路中，延迟被限制在小于开关频率周期的10%。

图21显示了HC模块原理图。图22显示了其等效方框图。响应示于图23和图24。

3 系统分析

将每个模块设计带入系统框图2，就可以分析整个系统的环路增益和稳定性了。

3.1 环路稳定性

系统幅频特性和相频特性示于图25和图26。

从幅频和相频特性可见，系统是有条件稳定的。如果该系统的增益降低到足以造成相位裕度到零，这个系统就可能变得不稳定。这不是在该系统中的情况。该系统的增益是固定的，因为它是控制回路的极点和零点的函数，而不是任何一个单独的运算放大器增益的函数。有了精密无源元件，环路增益可以保证匹配到如图25所示的设计，保证稳定性。

3.2 电源纹波抑制比(PSRR)

由于环路增益已经确定，现在可以确定系统的PSRR式5给出了系统的PSRR方程。图27是系统的PSRR与频率的关系曲线。

3.3 系统频率响应

连同PSRR，一旦控制方案的环路增益被确定，系统频率响应(SFR)可以确定。式6给出了SFR的方程。图28是SFR与频率的关系曲线。

4 结论

通过对所设计系统仿真及实验室测试，与理论分析数据基本一致。虽然有的滤波器不是完美匹配，却但他们具有稳定的表现。比较由示波器捕获的信号，与仿真数据非常接近。虽然电源抑制比(PSRR)及系统频率响应(SFR)与理论计算不完全相等，但仍然有很大程度的相关性。没有不稳定性或系统表现与预期不一致的证据。

总之，大量的系统分析表明，对于需要较高水平线性度与低开关频率带宽比的D类放大器输出级，处理电源清洁问题，提高电源纹波抑制比，该控制方案是一个可行的解决方案。