了解变压器耦合电流开关D类放大器

在本文中，我们将学习变压器耦合电流开关D类放大器。一旦我们了解了它的操作，我们将把它的性能与两种电压开关D类配置进行比较。

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本系列的前一篇文章介绍了变压器耦合电压开关（TCVS）D类放大器。在本文中，我们将了解另一种变压器耦合的D类配置——变压器耦合电流开关（TCCS）放大器。我们将介绍其工作原理，分析其性能，并通过一个例子来确定给定负载和输出功率的电路参数。

TCCS电路是我们将在本系列中介绍的最后一个D类放大器。因此，我们将通过比较我们讨论过的不同D类配置（包括TCCS放大器）的要求来结束本文。

TCCS配置

图1显示了TCCS放大器的示意图。

变压器耦合电流开关D类放大器示意图。

图1.变压器耦合电流开关D类放大器

上一篇文章中的TCVS示意图如图2所示。让我们简要地回顾一下这两个放大器之间的异同。

变压器耦合电压开关D类放大器示意图。

图2.变压器耦合电压开关（TCVS）D类放大器

我们将从相似之处开始。两个放大器都使用中心抽头输入变压器（T2）从输入信号中产生相反极性的信号。T2的中心抽头接地；T2次级处的相反极性信号用于驱动两个晶体管（Q1和Q2）足够硬，使其充当开关。Q1和Q2在输入信号的交替半周期上工作。

这两个电路还使用输出变压器（T1）来组合集电极电流。然而，在TCVS配置中，T1的中心抽头直接连接到电源（VCC）。TCCS放大器通过RF扼流圈（RFC）将中心抽头连接到VCC。射频扼流圈在开关频率下具有无穷大的电抗，可阻断交流电流，并迫使恒定电流进入变压器中心抽头。

T1的中心抽头是两种配置之间的两个主要区别之一。第二个区别是负载网络。与使用串联RLC电路作为负载的电压开关装置不同，电流开关放大器在输出端具有并联RLC网络。

TCCS放大器的操作

在每个半周期的操作中，RF扼流圈迫使电流（Idc）进入输出变压器（T1）的中心抽头。然后，它通过两个开关（晶体管Q1和Q2）中的一个，然后到达地。

图3和图4中的简化图说明了TCCS放大器在两个连续半周期内的操作。理想开关S1和S2分别代替Q1和Q2。

当Q1打开而Q2关闭时，TCCS放大器。

图3.当S1关闭而S2打开时（Q1打开，Q2关闭），TCCS放大器

当Q1关闭而Q2打开时，TCCS放大器。

图4当S1打开而S2关闭时（Q1关闭，Q2打开），TCCS放大器

在图3中，S1关闭，S2打开。Idc因此通过S1（i1=Idc）。由于S2是开路的，因此没有电流可以流过下路径（i2=0）。在下一个半周期（图4）中，S1打开，S2关闭，导致i1=0和i2=Idc。假设在前半个周期中S1打开，S2关闭，我们得到了图5中的电流波形。

两个完整操作周期内集电极电流的波形。

图5.i1和i2在两个完整操作周期内的电流波形

正如我们所看到的，集电极电流（i1和i2）是在0和Idc之间切换的方波。请注意，Idc仍然是一个未知参数——在分析结束之前，我们无法找到它的值。目前，我们需要确定流经T1次级线圈的电流。该电流在上图中用i3表示。

根据半周期，扼流圈输送的电流通过初级绕组的上半部分或下半部分。因此，由于变压器的作用，次级绕组中的电流幅度为（m/n）Idc。然而，该电流的方向在半周期之间交替。图6显示了i3在两个完整运行周期内的电流波形。

两个操作周期内的次级电流波形。

图6.两个操作周期内的次级电流波形

为了理解i3为什么在（m/n）Idc和–（m/n”Idc之间切换，我们需要在电路图的背景下考虑图5的集电极电流波形。在前半个周期中，扼流圈输送的电流通过初级绕组的下半部分。由于它进入初级绕组的虚线端，次级电流离开虚线端，导致i3=（m/n）Idc。

然而，在下一个半周期中，扼流圈的电流流过初级绕组的上半部分。由于初级电流离开该绕组的虚线端，输出电流进入次级绕组的虚线一端。因此，我们有i3=–（m/n）Idc。

TCCS放大器性能分析

50%占空比的方波包含所有奇次谐波（1、3、5等）。使用傅里叶级数表示法，我们可以根据其组成频率分量来表示图6中的方波电流：

方程式1

电流开关电路将所有这些谐波分量的总和应用于负载网络。然而，调谐到开关频率的高Q并联RLC电路对除基波分量外的所有电流频率分量都呈现出非常小的阻抗。在基频下，RLC电路表现出RL的电阻。因此，所有输出电流谐波都被短路，只有基波分量流入负载电阻器（RL）。

将通过RL的电流表示为iout，我们有：

方程式2

iout的峰值等于

4

π

m

n

I

d

c

iout的RMS值（irms）等于峰值除以2的平方根。知道这一点后，我们现在可以计算出输入到负载的平均功率：

方程式3

问题是我们仍然不知道Idc，也就是流经扼流圈的电流。在我们这样做之前，方程3对我们没有用。要找到Idc，我们需要进一步研究电路。

计算通过射频扼流圈的电流

假设射频扼流圈是理想的。既然如此，它两端就没有直流电压降。因此，输出变压器中心抽头处电压的直流分量等于VCC。这条信息对于找到Idc至关重要。

为了找到变压器中心抽头的电压波形，我们首先使用方程式2来确定变压器次级绕组两端的电压：

方程式4

由于变压器的电压缩放功能，因此初级绕组每段上的电压为：

方程式5

图7提供了前半周期（Q1:OFF，Q2:ON）电路的简化图。相关电压量（vout和vp）以紫色显示。

Q1关断且Q2接通时的电压。

图7.Q1关断且Q2接通时的电压

考虑上图中的节点C、D和E。节点C和D分别位于Q1和Q2的集电极处。节点E出现在T1的中心抽头处。在这个半周期中，节点电压如下：

vC = 2vp

vD = 0

vE = vp

注意，节点E和C具有正弦电压。

图8显示了下一个半周期（Q1:ON和Q2:OFF）。

Q1接通而Q2断开时的电压。

图8.Q1接通而Q2断开时的电压

对于这个半周期，节点电压为：

vC = 0

vD = –2vp

vE = –vp

在这个半周期内，节点E和D处的电压是正弦曲线。然而，它们相对于vp和vout是颠倒的。

图9显示了这些节点在一个完整操作周期内的电压波形以及输出。

从上到下：输出端、节点D、节点C和节点E的电压波形。

图9.从上到下：输出端、节点D、节点C和节点E的电压波形

在上图中，A1和A2分别是vout和vE的振幅。A1只是方程式4中vout的峰值：

方程式6

根据半周期的不同，vE等于vp或-vp。从方程5中取vp的峰值，我们得到：

方程式7

振幅为A2的全波整流正弦波具有2A2/π的直流分量。因此，vE的平均分量为：

方程式8

我们之前提到，输出变压器中心抽头（节点E）处的电压的平均分量是VCC。用VCC代替上述方程中的vE，ave，我们可以求解Idc：

方程式9

最后，通过将方程9中的Idc代入方程3，我们得到输出功率：

方程式10

现在我们知道Idc，我们还可以找到集电极最大电压的简单方程。在图9中，我们看到vC和vD——两个集电极电压——都有2A2的峰值。结合方程式9和7得出：

方程式11

晶体管两端的最大电压降为2A2=πVCC。

我们现在可以找到TCCS放大器的效率了。这是我们继续之前要检查的最后一个性能参数。

计算效率

通过比较输出功率和输入功率来计算效率。我们从方程式10中知道输出功率。至于输入功率，它等于电源电压（VCC）乘以电源电流的平均值（Idc）。因此，根据方程式9，输入功率为：

方程式12

这与输送到负载的功率相同，这意味着该放大器的理论效率为100%。请注意，这是理想的效率。在实践中，电路的效率可能会因非理想性而降低，例如与集电极引线串联的寄生电感。

示例：确定TCCS放大器的最大晶体管电压和电流

现在我们已经完成了分析，让我们找到向50Ω负载提供20 W功率的TCCS电路的电源电压、最大开关电流和最大开关电压。为简单起见，我们假设匝数比（n/m）为1。

我们知道PL=20，RL=50，n/m。为了找到电源电压（VCC），我们首先将这些数字代入方程10：

方程式13

然后我们求解VCC：

方程式14

接下来，让我们计算最大开关电流。从图5中可以看出，这等于Idc。方程式9得出：

方程式15

最后，我们从图9中知道，每个开关晶体管集电极-发射极之间的最大电压为2A2。应用方程式11，我们得到：

方程式16

为了向50Ω负载提供20 W的功率，TCCS放大器需要28.47 V的电源电压。其晶体管必须能够承受0.7 a的最大开关电流和89.44 V的最大集电极-发射极电压。

哪种D类放大器性能最好？

我们之前对TCVS放大器和基本电压开关D类放大器进行了相同的示例。表1总结了TCCS放大器的结果。所有三个电路都设计为向50Ω负载提供20 W。

表1.对三种不同的D类配置的要求，以向50Ω负载提供20 W

根据这些数据，这三种配置是如何相互叠加的？

基本电压切换D类放大器需要比变压器耦合配置中的任何一种都高得多的电源电压。其晶体管必须处理与TCVS放大器相同的最大电流和电压。与TCVS电路相比，TCCS装置需要较低的电源电压和最大开关电流。然而，它增加了晶体管集电极-发射极之间的电压应力。

TCVS和TCCS电路提供了相当的性能——这里似乎没有绝对的赢家。根据电源电压和可用的晶体管参数，任何一种配置都可能是正确的选择。请注意，晶体管的工作频率是应该考虑的参数之一——在方波集电极电流的情况下，晶体管需要更快地切换。

总结

本文研究了变压器耦合电流开关D类放大器的操作和性能。这是我们将讨论的最终D类配置。在下一篇文章中，我们将研究D类功率放大器的一些局限性，并解释E类放大器如何解决这些局限性。