开关电容补偿技术，可有效解决电源失真问题！

本文介绍了一种用于半桥D类放大器中母线泵浦补偿的开关电容技术。所提出的方法除了几乎完全降低了母线泵浦效应外，还使半桥类-D放大器保持了最大的能效。所研究的所提出的技术的硬件实现，证明了其效率高、电路简单、成本低的优点。对主要设计和工作原理进行了分析和描述。实验中展示了所提技术的静态特性和时域波形，验证了其可行性。

相关论文以题为“Switched Capacitor Compensation of Supply Distortion in Class-D Amplifiers”与2020年12月20日发表在《Electronics》上。

半桥(HB)配置的D类输出级是通用电源转换中最常用的输出级之一，特别是当负载为单端形式时。除了音频放大器外，它还可以在许多其他应用中找到，包括电力电子转换器，电网测试设备中的功率放大器，作为反馈系统中的补偿放大器等。作为功率放大器，D类HB是一种简单、便携、且节省空间和能源的线性类AB放大器的替代品。

作为一种配置，Class-D HB早已成熟。在音频放大器的情况下，所有重要的问题都被研究，并提出了许多解决方案。但对于其他工程领域的应用案例，有些问题仍值得关注。

理想的D类HB放大器的功率效率

对于交流工作的情况，在文献中可以找到各种关于BP效应的分析。然而，很难找到电源电流对PWM占空比(D)的直流传输依赖性分析。因此，对这种依赖性进行简化推导，作为其余讨论的基础。

为此，研究人员考虑了图1中的HB输出级。直流电源PS是理想的（双边），输出电流iSS和iDD。栅极驱动逻辑用开关周期T的时钟CLK管理，它控制理想的MOS开关，在开关周期的第一部分打开M1为D∙T秒，在开关周期的第二部分打开M2为(1-D)T秒，其中D为PWM占空比。

输出级负载表示为大电感L和小串联电阻R的串联，为简单起见，假设负载的时间常数τ=L/R足够大，因此，il(t)→0，iL(t)≈IL。作为D上的函数，负载电流IL等于：

图1.D类半桥（HB）放大器的基本配置。放大器输出级由对称电源供电，电压VDD=VS，-VSS=-VS。

图2显示了相对于D的归一化值ID1/ILM和ID2/ILM。可以看出，在D=1/4时，当前ID1达到最低值-ILM/8，而在D=3/4时，当前ID2达到同样的最低值。

图2.ID1/ILM和ID2/ILM相对于D的归一化值。

图3描述了前两种情况下，归一化功耗作为D的函数。

图3.几种放大器实现情况下的归一化功耗作为D的函数。(a)具有双边电源的HB，公式(8)；(b)AB类功率放大器，公式(9)；(c)具有单边电源和理想吸收负电源电流的HB，公式(10)；(d)Ptot1公式(19)；(e)Ptot2公式(20)。

在典型应用中，电源通常是单向的，可以用理想二极管D1和D2来建模，图4。

因此，电流IDD和ISS不能为负。例如，如果ID1为负值，则IDD为零，阻断电容C1一直比VS充电多，造成VDD母线的BP效应。负的ID2也会产生类似的效应。因此，为了防止这种行为，应采取一些对策。

图4.无控制电路的D类HB放大器的主要原理图。放大器采用单向电源供电，并辅以推挽抑制电子元件。电容器C1和C2足够大，因此电源母线上的电压可以认为是无纹波的。

被动式BP抑制及对功耗的影响分析

图4为无控制电路的D类HB放大器的主要原理图，采用单向电源供电，并增加了母线泵浦抑制电路。

除了R上的耗散外，实际上还有一个由所用电子元件的功率需求引起的额外耗散。这种耗散在图4中被建模为电流源I0，通常很小，对负ID1或ID2的补偿影响微乎其微。

借助于附加的无源电路，由r0和VDZ建模，可以显著吸收负ID1或ID2，对BP效应进行部分或全部补偿。为简化起见，子电路U1和U2内的I0、r0和VDZ的组合可以用r0和电压源V0的串联代替，图5：

图5.子电路U1和U2的等效表示。子电路U1和U2的等效表示。通常，电压源VDZ由齐纳二极管制成，击穿电压VDZ。子电路U1和U2消耗能量，因此，在热力学上属于无源电路。

结论

对于标准单边电源的情况，描述的用于D类放大器的BP抑制的耗散方法可以非常简单和经济。但是，它们仍然不能提供HB拓扑结构关于功率效率的全部潜力。作为一种替代方案，本文提出了一种用于HB类D类放大器中BP降低的高效SC技术。

研究表明，所提出的SC技术可以显著降低BP并保持理想HB类-D放大器的能效，具有效率高、实现可能性简单、成本低等优点。他们对所提出的技术的硬件实现及其运行注意事项进行了分析和描述。对实验室样机进行了实现和测试，展示了其在BP抑制、功率效率和动态特性方面的性能。