摘 要：文章介紹了在PSM寬帶數(shù)字功放系統(tǒng)中，應(yīng)用FPGA實(shí)現(xiàn)PSM算法。通過控制各個(gè)PSM模塊的開關(guān)通斷，實(shí)現(xiàn)對輸入波形數(shù)據(jù)的功率放大。文章從PSM功放電路拓?fù)浼癙SM算法展開研究，在已有的工作基礎(chǔ)上對PSM算法進(jìn)行改進(jìn)。Modelsim仿真結(jié)果驗(yàn)證了文章提出的方案的正確性。

關(guān)鍵詞：FPGA；功率放大器；脈沖階梯調(diào)制

引言

傳統(tǒng)的數(shù)字功率放大器，都是基于PWM調(diào)制技術(shù)，在大功率功放輸出時(shí)，功放電路中的儲能電容比較大，開關(guān)瞬間MOS管內(nèi)部電流較大，易造成MOS管的損毀，雖然實(shí)際電路中會引用過流、過壓保護(hù)，但不可避免地會使功放電路停止工作[1]。

基于PSM技術(shù)的數(shù)字功放系統(tǒng)具有電路拓?fù)浜唵危菀撰@得高電壓大功率的特點(diǎn)[2]。PSM系統(tǒng)核心電路由多個(gè)開關(guān)電源模塊級聯(lián)構(gòu)成，開關(guān)電源模塊由開關(guān)電源、開關(guān)功率管和續(xù)流二極管組成。系統(tǒng)中的每一個(gè)模塊功率管和續(xù)流二極管都只承受本電源模塊的電壓值，并不會承受更多的電壓，所以與最終級聯(lián)輸出的電壓無關(guān)，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全性，不需要高頻升壓器件的參與。

因此，研究寬帶大功率數(shù)字功放顯得尤為重要。文章提出了PSM功放主電路結(jié)構(gòu)，基于FPGA對PSM算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并通過仿真驗(yàn)證了正確性。

1 主電路結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法

PSM功放主電路如圖1所示。主電路一共包含8路直流功率模塊。各個(gè)模塊主要由直流電壓源、MOS管以及續(xù)流二極管組成，且各路直流電源需要相互隔離不共地。PSM功率放大器采用疊加各個(gè)功率模塊的輸出方式實(shí)現(xiàn)對信號的放大，疊加后的信號為正向，因此需要經(jīng)過全橋逆變對正向信號進(jìn)行時(shí)域上的翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)功率放大信號的正負(fù)輸出。

PSM脈沖階梯調(diào)制是把SM階梯調(diào)制和PWM脈沖寬度調(diào)制相結(jié)合起來的一種調(diào)制技術(shù)。其最早由瑞士的W.Schminke提出[3][4]。其工作原理為：根據(jù)算法要求將輸入電壓U與每個(gè)直流功率模塊的電壓Us作除法，得到此時(shí)需要疊加的功率模塊數(shù)量N.d。其中，N為整數(shù)，代表需要開啟的工作在SM模式的功率模塊個(gè)數(shù)。d為小數(shù)，為SM調(diào)制波形與原波形的誤差，需要一個(gè)功率模塊工作在PWM調(diào)制方式。PSM的輸出波形即為在SM調(diào)制輸出波形基礎(chǔ)上疊加PWM輸出波形[5]。

由于各個(gè)直流功率模塊的開斷時(shí)間并不相同，各個(gè)模塊之間工作時(shí)間相差很大，長時(shí)間工作的模塊會出現(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重的現(xiàn)象，所以，需要在PSM算法中加入功率模塊的狀態(tài)循環(huán)功能。其示意圖如圖2。

為了減小輸出波形的THD，減小功放EMI，提高其輸出質(zhì)量，文章對PSM算法作進(jìn)一步改進(jìn)。PSM算法的精髓就是用SM來粗略構(gòu)筑波形大部分面積，邊緣細(xì)節(jié)則是使用PWM來填補(bǔ)，通常PWM的工作頻率要比SM高出很多，會對周圍產(chǎn)生很大的電磁影響。從而又將現(xiàn)有算法中的PWM控制信號進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，分解為2路SM和1路PWM。將48V的PWM分解為兩路16V的SM和一路16V的PWM。例如當(dāng)前PWM占空比為0.6，則通過計(jì)算0.6*3=1+0.8，則原來占空比為0.6的信號分解為0.8×48V=1×16V+0×16V+0.8×16V。

2 仿真驗(yàn)證

根據(jù)上文所述的算法原理，用Modelsim對Verilog HDL程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真時(shí)，采用正弦波為輸入波形。同時(shí)用MATLAB對改進(jìn)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖3所示結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。

THD測試中，改進(jìn)前與改進(jìn)后輸出波形THD仿真結(jié)果如表1、表2：

參考文獻(xiàn)

[1]王武斌.開關(guān)功率放大器的數(shù)字控制技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2006.

[2]杜少武，楊鈺輝.基于PSM 技術(shù)的高壓開關(guān)電源研究[J].電工電能新技術(shù)，2006，25（3）：18-20.

[3]Alex J， Schminke W. A high voltage power supply for negative ion NBI based on PSM technology[C]// Fusion Engineering， 1997. 17th IEEE/NPSS Symposium. IEEE，1997，2：1063-1066.

[4]Alex J， Schminke W. Fast switching， modular high-voltage DC/AC-power supplies for RF-amplifiers and other applications[C]//Fusion Engineering， 1995. SOFE'95. Seeking a New Energy Era.， 16th IEEE/NPSS Symposium. IEEE，1995，2：936-939.

[5]Wang Y，Wang Y， Mao X， et al. Design and application of measurement system for the HVPS based on PSM technique on HL-2A[C]//Power Electronics and Motion Control Conference （IPEMC）， 2012 7th International. IEEE，2012，4：2947-2951.