功率放大器在电力载波通信中的设计应用

电力载波通信(powerlinecomrnunication，PLC)是电力系统特有的通信方式，电力载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。现在，PLC除了在远程抄表上有所应用外，随着家庭智能系统这个话题的兴起，也给PLC带来了一个新的舞台。在电力载波系统输出级，需要对调制好的信号进行放大，本文使用共射放大电路和OTL电路分别对电压和电流进行放大，为了控制输出信号的谐波失真率，对偏置电路和反馈电路进行了改进，同时在设计中考虑温度影响，使电路可以在室外环境中正常工作。

　　1 放大器的设计要求和基本电路

　　根据国家电网标准的要求，载波信号的总谐波失真应小于O.05%，由于需要在室外工作，所以电路需要能够在-30℃的环境中正常工作，输出功率应达到1W。在本设计中，为了达到输出功率的需求，供电部分采用12V直流供电，电源内阻为10Ω。信号源为数/模转换芯片的输出信号，频率为132kHz，信号电压峰值为2.5V，芯片内阻为2kΩ。负载为电力线，在仿真中采用如图1所示的人工电源网络模型。

　　

 

　　

 

　　基本电路如图2所示，Q9为前级放大，Q8，Q12为后级输出。输入与输出之间引入负反馈，调节增益，使得输出功率满足实际应用的需要，同时起到降低谐波失真的作用。前后级直接耦合，以简化电路，降低成本。

　　2 温度影响

　　2.1温度降低的影响及解决办法

　　当温度降低时，使得晶体管集电极电流降低，而基极电流增大，当Q9基极电流增大时，R5电流增大，两端压降也随之增大，而R5左端电压为O.7V基本不变，于是右端电压上升，使得静态工作点高于Vcc/2，于是输出波形的正半周顶端出现失真。

　　解决方法：

　　(1)被动温度适应法。加大负反馈降低增益，即R7的设定值降低，使得静态工作点的上升不至于使输出波形失真。缺点是降低了输出。把R7调整为3kΩ，电路可以在-30℃下正常工作，基波3V，三次谐波为1mV。

　　(2)主动温度补偿法：将R5设定为可变电阻，当温度降低时，降低R5阻值，使静态工作点保持不变，也就避免了输出波形的失真。

2.2 温度上升的影响及解决办法

　　使用推挽式输出级通常要通过偏置电路消除交越失真，最简单的方法是使用D7和D8两个二极管来实现。当负载电流较大时，三极管温度升高，be间电压降低，而二极管电流并不大，其正向导通电压Ve变化不大，这样，Vbe和Ve之间的电位差使得三极管中流过的电流加大，温度进一步上升，电位差更大，三极管电流也更大，最终使三极管发生热损坏。解决方法：

　　(1)如图3所示，在2个三极管射极输出端串联2个电阻，限制电流。

　　(2)使用如图4所示的电路，将3个三极管靠近，使它们热耦合，则随着温度变化，Q3两端电压也会变化，从而抑制了热击穿。

　　

 

　　当三极管功率不是太大时，可以直接使用二极管偏置。

　　3 负反馈电路的改进

　　将基本电路中的R8使用如图5所示的LC谐振电路代替，可以将132kHz频率的信号正确反馈，而其他频率信号则被衰减至很小，从而改善输出波形。

　　

 

　　电容和电感的取值由公式

来获得。谐振频率相同时，电容容量越小，电感数值越大，品质因数越大，选频特性越好，为了得到合适的负反馈，加入了电阻来调整品质因数。

从表1可以看出，使用LC谐振作为负反馈可以在一定程度上抑制谐波失真。

　　

 

　　选频负反馈的使用使得电路只使用于特定频率的功率放大，若需要较大范围的频率响应，则不适合采用选频电路。

　　4 偏置电路的改进

　　使用图6所示的恒流源代替基本电路中的电阻R1，使得偏置电路中的电流不会受到输入端的影响，从而使输出端更加稳定，降低失真。

　　由表2两者的对比可以看出，使用恒流源代替电阻可以使谐波失真大大降低，但是温度特性会变差，使用中需要注意温度补偿。

　　

 

　　温度特性变差，但相对其对谐波失真的改进来看，此影响很小，所以在电路中恒流源的引入是非常有意义的。

　　5 提高输入电阻

　　加入前面所述的选频负反馈电路之后，输入电阻变得很小，大概只有200～300Ω，当信号源内阻变化时，会导致输出端波形变化很大，并可能出现严重失真。所以需要采取措施提高输入电阻，以降低信号源变化所带来的影响。

　　方法1通常可以采用射级跟随电路作为前级输入端的方法来提高输入电阻，此方法效果好，成本高。

　　方法2当对输入电阻阻值要求不是太大时，可以简单的在输入端串联一定数值的电阻，来达到提高输入电阻的目的，此方法实现简单，成本低。

　　在本应用中，信号由特定DA芯片提供，信号源内阻变化不大，适合采用第2种方法。

　　6 晶体管的选择

　　最大管压降：电源采用了12V供电，所以晶体管最大管压降应大于12V;最大电流：经PSpice仿真，测得输出级的2个三极管最大电流为150mA，电流源和前级放大晶体管小于10mA;最大功耗：经PSpice仿真，测得输出级的2个三极管最大瞬时功耗550mW，前级放大晶体管最大瞬时功耗小于60mW;工作温度：产品需要能在室外环境中正常工作;频率特性：截止频率大于300kHz;综合考虑，选择2N3904和N3906晶体管。

　　7 改进后的电路图及性能

　　根据前面所述的方法对开始的基本电路进行改进，得到最后的实用电路，如图7所示。电源：+12V，内阻10Ω;输出信号总谐波失真率约O.05%;输入阻抗：1.2kΩ。输出阻抗：6Ω;输出电压：8.3V;最低工作温度：-30℃。

　　

 

　　8 结语

　　本文从最基本功率放大电路着手，从多个方面对其进行改进，获得了较高的谐波失真性能和较高的输出功率，最终电路能够满足国家电网标准的要求和实际应用的需求。