本文介紹了一種用于半橋D類放大器中母線泵浦補償的開關電容技術。所提出的方法除了幾乎完全降低了母線泵浦效應外，還使半橋類-D放大器保持了最大的能效。所研究的所提出的技術的硬件實現，證明了其效率高、電路簡單、成本低的優(yōu)點。對主要設計和工作原理進行了分析和描述。實驗中展示了所提技術的靜態(tài)特性和時域波形，驗證了其可行性。

相關論文以題為“Switched Capacitor Compensation of Supply Distortion in Class-D Amplifiers”與2020年12月20日發(fā)表在《Electronics》上。

半橋(HB)配置的D類輸出級是通用電源轉換中最常用的輸出級之一，特別是當負載為單端形式時。除了音頻放大器外，它還可以在許多其他應用中找到，包括電力電子轉換器，電網測試設備中的功率放大器，作為反饋系統(tǒng)中的補償放大器等。作為功率放大器，D類HB是一種簡單、便攜、且節(jié)省空間和能源的線性類AB放大器的替代品。

作為一種配置，Class-D HB早已成熟。在音頻放大器的情況下，所有重要的問題都被研究，并提出了許多解決方案。但對于其他工程領域的應用案例，有些問題仍值得關注。

理想的D類HB放大器的功率效率

對于交流工作的情況，在文獻中可以找到各種關于BP效應的分析。然而，很難找到電源電流對PWM占空比(D)的直流傳輸依賴性分析。因此，對這種依賴性進行簡化推導，作為其余討論的基礎。

為此，研究人員考慮了圖1中的HB輸出級。直流電源PS是理想的（雙邊），輸出電流iSS和iDD。柵極驅動邏輯用開關周期T的時鐘CLK管理，它控制理想的MOS開關，在開關周期的第一部分打開M1為D?T秒，在開關周期的第二部分打開M2為(1-D)T秒，其中D為PWM占空比。

輸出級負載表示為大電感L和小串聯電阻R的串聯，為簡單起見，假設負載的時間常數τ=L/R足夠大，因此，il(t)→0，iL(t)≈IL。作為D上的函數，負載電流IL等于：

圖1.D類半橋（HB）放大器的基本配置。放大器輸出級由對稱電源供電，電壓VDD=VS，-VSS=-VS。

圖2顯示了相對于D的歸一化值ID1/ILM和ID2/ILM?？梢钥闯?，在D=1/4時，當前ID1達到最低值-ILM/8，而在D=3/4時，當前ID2達到同樣的最低值。

圖2.ID1/ILM和ID2/ILM相對于D的歸一化值。

圖3描述了前兩種情況下，歸一化功耗作為D的函數。

圖3.幾種放大器實現情況下的歸一化功耗作為D的函數。(a)具有雙邊電源的HB，公式(8)；(b)AB類功率放大器，公式(9)；(c)具有單邊電源和理想吸收負電源電流的HB，公式(10)；(d)Ptot1公式(19)；(e)Ptot2公式(20)。

在典型應用中，電源通常是單向的，可以用理想二極管D1和D2來建模，圖4。

因此，電流IDD和ISS不能為負。例如，如果ID1為負值，則IDD為零，阻斷電容C1一直比VS充電多，造成VDD母線的BP效應。負的ID2也會產生類似的效應。因此，為了防止這種行為，應采取一些對策。

圖4.無控制電路的D類HB放大器的主要原理圖。放大器采用單向電源供電，并輔以推挽抑制電子元件。電容器C1和C2足夠大，因此電源母線上的電壓可以認為是無紋波的。

被動式BP抑制及對功耗的影響分析

圖4為無控制電路的D類HB放大器的主要原理圖，采用單向電源供電，并增加了母線泵浦抑制電路。

除了R上的耗散外，實際上還有一個由所用電子元件的功率需求引起的額外耗散。這種耗散在圖4中被建模為電流源I0，通常很小，對負ID1或ID2的補償影響微乎其微。

借助于附加的無源電路，由r0和VDZ建模，可以顯著吸收負ID1或ID2，對BP效應進行部分或全部補償。為簡化起見，子電路U1和U2內的I0、r0和VDZ的組合可以用r0和電壓源V0的串聯代替，圖5：

圖5.子電路U1和U2的等效表示。子電路U1和U2的等效表示。通常，電壓源VDZ由齊納二極管制成，擊穿電壓VDZ。子電路U1和U2消耗能量，因此，在熱力學上屬于無源電路。

結論

對于標準單邊電源的情況，描述的用于D類放大器的BP抑制的耗散方法可以非常簡單和經濟。但是，它們仍然不能提供HB拓撲結構關于功率效率的全部潛力。作為一種替代方案，本文提出了一種用于HB類D類放大器中BP降低的高效SC技術。

研究表明，所提出的SC技術可以顯著降低BP并保持理想HB類-D放大器的能效，具有效率高、實現可能性簡單、成本低等優(yōu)點。他們對所提出的技術的硬件實現及其運行注意事項進行了分析和描述。對實驗室樣機進行了實現和測試，展示了其在BP抑制、功率效率和動態(tài)特性方面的性能。