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浙江理工大学学报,第25卷,第1期,2008年1月JournalofZhejiangSci2TechUniversityVol.25,No.1,Jan.2008

文章编号:167323851(2008)0120083206

E类射频放大器的设计与效率改善

屈定波1,和军平1,梁家　

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东深圳518055;2.万机仪器(中国)有限公司,广东深圳518101)

　　摘　要:作为开关类的E类放大器,在射频放大领域有着重要用途。文章设计了一款2MHz的E类放大器,并就E类放大器的参数变化对放大器的工作状态和放大器效率的影响作用进行了分析,找到了影响E类放大器效率的三个主要因素及其影响规律,可为设计和调试E类放大器提供参考。关键词:E类放大器;高效率;零电压开关中图分类号:TN722　　　文献标识码:A

0　引　言

在射频领域,高频功率放大器设计一直占据着重要地位。与传统的线性放大器不同,E类放大器采用开关放大模式,通过降低其开关过程中的损耗,效率可有显著提高,其理想效率可达100%[1]。同时,E类放大器还有着结构简单、元器件少等优点。因此,E类放大器受到了越来越多的关注,并在很多场合得到了应用。

1　E类放大器的基本原理

E类放大器的基本原理如图1所示,在放大器电路中,MOSFET管Q1是作为一个开关管而不是放大管

来工作的。当开关管导通时,漏极电压为零,开关管流过大电流。当开关管关断时,开关管中无漏极电流流过,仅存在较大漏极电压。放大器在工作中应尽量避免开关管上同时存在大电流和大电压,以降低开关管在导通瞬间的功率损耗。图1中,射频扼流圈RFC主要用于稳流和滤波,即一方面为放大器提供稳定的直流电流,另一方面阻止射频开关管漏极上的射频信号进入到直流电流。串联谐振电路L0C0构成带通滤波器,使输出得到稳定的正弦波。串联电感Lx主要用于相位延时,使开关管在接近零电压时导通。并联电容C1则使开关管的漏极电压在开通瞬间保持为零。谐振电感L0,串联电感Lx和负载Rload构成的输出网络要尽量使开关管的漏极电压在开通前瞬间降为零,降低开通损耗[2]。典型的理想E类放大器的漏极电压vs和电流波形is如图2所示。

收稿日期:2007-04-23

),男,湖北枝江人,硕士研究生,主要从事电力电子与射频电源方面的研究。作者简介:屈定波(1980-　

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2　主电路工作分析

2.1　电路方程求解

为了便于分析,作以下假设[3]:

a)输入信号为50%占空比的最佳工作模式;b)扼流圈的电感LRFC足够大且其等效内阻Rchoke为零;c)负载网络的品质因数Q值足够高;d)MOSFET导通时内阻为零,MOSFET导通和截止瞬间完成;e)并联电容和寄生漏源电容为线性;f)开关管导通瞬间满足零电压开关ZVS和零电压变化率ZDS开关,即若开关管在θ=ωt=π时导通,满足:

　　　　　　　v(ωt)dv(ωt)　　　　　　　ω

ωt=π

=0=0

(1)(2)

ωt=π

πf。由于射频扼流圈电感足够大,流过的电流保持不变。设直流式中,v是开关管两端的电压,角频率ω=2

)=IRsin(ωt+<),式中:ω=供电电流为IDD,由于负载网络品质因数足够高,输出电流iR为正弦,设iR(θπf,<是初始相移。由ZVS和ZDS,得到[4]:2

π时,流过并联电容C1的电流为:当开关管截止时,即0<θ≤

)=IDD-IRsin(ωt+<)　　　　　　　ic(θ

π)为:导通瞬间流过并联电容C1的电流ic()=　　　　　　　ic(π(3)

4VDDcos<2πR

πcos<+sin<(4)

π)=0,得到最佳初始相角<为:由于ic(

2-　　　　　　　<=(5)

最佳串联电压Lx和并联电容C1可由以下公式获得:ωLxVLx　　　　　　　==1.1525

(6)(7)

ωC1R=　　　　　　　

ωC1

VR=0.1863

2.2　电路设计及验证

本文根据需要设计一个2MHz的E类放大器,输出功率为50W,负载为50Ω,为了降低开关管两端电压,使用一个1∶2的传输线变压器(TLT)将50Ω的负载转变为12.5Ω,直流供电电压约为45V。为了使输出波形比较理想,将输出网络的品质因数Q设计为10。

当f=2MHz,Q=10,R=12.5Ω,得到:C1=1168.87pF,L=9.95μH,C0=719.5pF,LRFC=45μH,构建的放大器电路如图3所示。

图3　放大器基本电路图

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通过对电路进行仿真,得到输出电压、MOSFET漏极电压和漏源电流仿真波形如图4所示。

图4　仿真波形

从图4(a)中可以看出放大器的输出电压为理想的正弦波,漏极电压在开通瞬间已降为零,开关管处于较为理想的E类放大器状态。然而由于实际的开关管漏源极之间存在着较大寄生电容,开关管截止时该电容将充电,导致开关管漏极电流有较长的下降时间,即开关管截止后漏极电流并不为零,此时仿真结果如图4(b)所示。图4(c)将漏极电压和漏极电流放在一起便于比较。

选择恰当元器件,搭建实际电路。实际电路由驱动电路和放大器两部分构成,由于驱动电路的输出直接

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控制放大器的开通和关断,因此稳定的驱动电路也至关重要。射频功率开关管我们选择对偶MOSFET

ARF460A和ARF460B并联,它们的开关速度适合工作于2MHz的开关状态。驱动MOSFET选择IRFU9120和IRFU110,可为功率开关管提供足够的驱动能量。在开关管门极串入10Ω电阻以抑制漂移。对电容的选择要满足耐压要求,通常要选择一定数量的电容并联防止过流。电感和变压器要有足够的磁通和线径防止磁饱和及过流。实际电路中的并联电容要考虑开关管的寄生电容。

对搭建好的电路进行测试,得到实测波形如图5(a)所示。输出为正弦波,其幅值取决于直流供电电压的大小。直流电压越大,输出电压幅值越大,输出功率越高。

经过BIRD定向耦合器和HP4378功率表测试不同直流

表1　不同电压下的输出功率和效率

供电电压下的输出功率,并测试直流供电电压和电流,计算出

供电电压/V2535

相应的放大器效率,数据如表1所示。

输出功率/W14.9829.4248.65

要判断放大器工作状态是否理想,还应观察漏极电压波

放大器效率/%86.288.790.2

形。由图5(b)看出,漏极电压波形为近似上半边正弦波。当开关管导通前瞬间,漏极电压已下降至零,从而顺利实现零电

压开通,降低了开关损耗,提高了放大器的效率。经测试,该放大器效率接近90%,取得了理想的效果。

放大器的输出频谱是一个重要参数,通过频谱仪可以测试输出信号的频谱。输出信号中心频率为2MHz,谐波主要为2次、4次偶次谐波。2次谐波与基波相比有-23dB的衰减,4次谐波有-34dB的衰减,在对频谱要求不太高的场合,放大器可直接输出负载。在对频谱要求较高的场合,可以在负载与放大器直接增加滤波器,滤出谐波,也可采用推挽结构来消除偶次谐波。

图5　放大器实测波形

3　放大器效率的影响因素及其改善

由于开关管、电容电感等元件的特性,实际放大器的效率和工作状态不会完全理想。为了检验所设计和调试的E类是否处于较好的工作状态,作出相应改善,可通过观测漏极电压和电流波形来完成。在此通过

仿真和实验来加以分析。3.1　输入信号占空比D偏离50%的状态

通常将控制信号占空比设定为50%,但实际上开关管开通的占空比还受驱动电路、开关管开关过程等因素影响,很多情况下都会偏离50%,这时开关管会在漏极电压偏离零时导通,导致放大器效率下降,如图6所示。此时可通过调整最初控制信号占空比来调整最终驱动信号占空比。3.2　低串联电感状态

此状态下放大器开通瞬间会出现很高的尖峰冲击电流,漏极电压也较高。这是由于串联电感的不恰当导致整个负载网络失配造成的。此时开关损耗最大。当测试波形与图7相似时,一方面应该考虑增加串联电感的取值,二是考虑是否出现了磁饱和,出现磁饱和时,放大器输出波形也会有较大畸变,此时应选用具有更大的磁芯。3.3　大并联电容状态

若忽略开关管的寄生电容,很容易导致并联电容过大的情况。这一方面会导致开关管导通瞬间漏极电压未下降到零,从而出现一定的瞬态尖峰电流,产生开通损耗;另一方面,开关管截止时,但由于大电容的放电电流较大,致使漏极电流有较大起伏。当测试波形与图8相似时,应适当减小并联电容值。

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4　结　论

通过对放大器和匹配网络的参数计算、仿真,设计了一款E类放大器,该放大器具有较高效率;提出了影响放大器效率的三种主要因素,可根据相应波形对放大器的工作状态进行判断,作出相应改善。

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参考文献:

[1]SokalNO,SokalAD.ClassE2Anewclassofhigh2efficiencytunedsingle2endedswitchingpoweramplifiers[J].IEEEJ:

Solid2StateCircuits,1975,10(6):168-176.

[2]RaabFH.EffectsofvariationsontheclassEtunedpoweramplifier[J].IEEEJ:Solid2StateCircuits,1978,13(4):

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[3]SuetssuguT,KazimierczukMK.AnalysisanddesignofclassEamplifierwithshuntcapacitancecomposedofnonlinear

andlinearcapacitance[J].IEEEJ:Trans.CircuitSyst2I,2004,51(7):1261-1268.[4]沈　琴.非线性电子线路[M].北京:高等教育出版社,2004:91-95.

ClassEAmplifierDesignandItsEfficiencyImprovement

QUDing2bo1,HEJun2ping1,LIANGJia2sheng2

(1.ShenzhenGraduateSchool,HarbinInstatuteofTechnology,Shenzhen518055,China;

2.MKSInstruments(China)Ltd.Shenzhen518101,China)Abstract:Asaswitchingamplifierwithhighefficiency,ClassEamplifierhasbecomemoreandmoreimportantinthefieldofRFpoweramplifying.Thispaperanalyzestheprinciple,designsa2MHzClassEamplifierandanalyzestheinfluenceoftheparameters,finallygetsthekeyfactorstotheefficiency,whichprovidessomereferenceinformationonthedesignanddebuggingofthiskindofamplifier.

Keywords:classEamplifier;highefficiency;ZVS(责任编辑:陈和榜)

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