طراحی تقویت کننده کلاس-D ولتاژ بالا با بازخورد توان برای بارهای پیزوالکتریک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شیراز

2 مجتمع دانشگاهی هوادریا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

در این مقاله یک تقویت‌کنندۀ کلاس-D به منظور راه‌اندازی بارهای پیزوالکتریک با در نظر گرفتن ملاحظات طراحی شامل بازده، خطی بودن و تداخل الکترومغناطیسی ارائه شده است. تقویت کننده کلاس-D با الگوی کلیدزنی مدولاسیون پهنای باند بر پایۀ تغذیه-باتری طراحی شده است. تقویت‌کننده ارائه شده علاوه بر تأمین توان و ولتاژ سطح بالا، به منظور جداسازی و کاهش اعوجاج از یک مبدل مستقیم-به-مستقیم جدای حلقه بسته بهره می‌برد. استفاده از مبدل منزوی علاوه بر جداسازی تقویت کننده از باتری، باعث می‌شود که دیگر مدارات متصل به باتری از اعوجاج تقویت‌کننده در امان بمانند. طبقۀ تقویت‌کننده کلاس-D از یک مبدل AC/DC تمام پل حلقه بسته جهت افزایش بهره و خروجی با اعوجاج کم بهره می‌برد. خروجی تقویت‌کننده کلاس‌-D کاملاً خطی بوده و بوسیله یک فیلتر میان‌گذرL-C، اعوجاج هارمونیکی کل  ولتاژ خروجی به کمتر از 0/9 درصد کاهش یافته است. تقویت‌کننده موردنظر به طور دقیق در مدهای مختلف بررسی و عملکرد آن در شرایط مختلف کاری شبیه‌سازی و مورد ارزیابی قرار گرفته است. جداسازی الکتریکی از منبع تغذیه، خطی بودن ولتاژ خروجی، سرعت پاسخ‌دهی بالا و پهنای فرکانسی مناسب از جمله مزیت‌های این تقویت‌کننده می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Designing of High Voltage Class Damplifier with Power Feedback for Piezoelectric Loads

نویسندگان [English]

  • abdolkhalegh mohamadian 2
  • Mohammad Reza Khalilabadi 2
  • Reza Mardani 2
2 Malek Ashtar University of Technology
چکیده [English]

In this paper a Class-D amplifier is proposed to drive piezoelectric loads considering efficiency, linearity and electromagnetic interference issues. The proposed class-D amplifier is based on pulse-width-modulation (PWM) battery-fed. The amplifier not only supplies high voltage power but also utilizes dc-to-dc chopper to make electric isolation and reduce the output distortion. Using isolation dc chopper, causes amplifier isolation from the battery and in turn leads the circuits to be secured from the output distortions. The proposed class-D amplifier consists of a close-loop H-bridge ac-to-dc converter to improve the gain and reduce the output distortion. The amplifier is linear and the achieved output voltage THD is less than 0.9% by a band-pass filter. The proposed amplifier is analyzed in different modes precisely and its operation is simulated. Main features are electric isolation from the source, linearity, fast response and sufficient band-pass.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Total Harmonic Distortion
  • piezo electric
  • power amplifier
  • full bridge converter
  • class_D
  • pulse width modulation

[1] Nielsen K, editor. MECC-A novel control method for high end switching audio power amplification. Audio Engineering Society Convention 105; 1998: Audio Engineering Society.

[2] Tan MT, Chang JS, Chua HC, Gwee BH. An investigation into the parameters affecting total harmonic distortion in low-voltage low-power Class-D amplifiers. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications. 2003;50(10):1304-15.

[3] Jung NS. Analog/digital switching mixed mode amplifier and its applications for audio, regulator and. 1999;44(8):121-33..

[4] Himmelstoss F, Edelmoser K. High dynamic class-D power amplifier. IEEE Transactions on consumer electronics. 1998;44(4):1329-33.

[5] Ertl H, Kolar JW, Zach FC. Basic considerations and topologies of switched-mode assisted linear power amplifiers. IEEE Transactions on industrial electronics. 1997;44(1):116-23.

[6] Nielsen K. Audio power amplifier techniques with energy efficient power conversion. Vol. 1998.

[7] Streitenberger M, Felgenhauer F, Bresch H, Mathis W. Zero Position Coding (ZePoC)-A Generalised Concept of Pulse-Length Modulated Signals and its Application to Class-D Audio Power Amplifiers. PREPRINTS-AUDIO ENGINEERING SOCIETY. 2001.

[8] Fremer M. Sharp SM-SX100 digital integrated amplifier. Stereophile. 2000:73-9.

[9]  Risbo L, Mørch T, editors. Performance of an all-digital power amplification system. Audio Engineering Society Convention 104; 1998: Audio Engineering Society.

[10]   Nielsen K, editor. A review and comparison of pulse-width modulation (PWM) methods for analog and digital input switching power amplifiers. Audio Engineering Society Convention 102; 1997: Audio Engineering Society.

[11] Putzeys B. Digital audio's final frontier. IEEE spectrum. 2003;40(3):34-41.

[12] Antunes VM, Pires VF, Silva JFA. Narrow pulse elimination PWM for multilevel digital audio power amplifiers using two cascaded H-bridges as a nine-level converter. IEEE Transactions on Power Electronics. 2007;22(2):425-34.

[13] Yu Z, Feng H, editors. A method of error correction for digital class D power amplifier. Microelectronics & Electronics, 2009 PrimeAsia 2009 Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in; 2009: IEEE.

[14] Kim W, Jang G-W, Kim YY. Microspeaker diaphragm optimization for widening the operating frequency band and increasing sound pressure level. IEEE Transactions on Magnetics. 2010;46(1):59-66.

[15] García-Caraveo A, Soto Á, González R, Bañuelos-Sánchez P, editors. Brief review on snubber circuits. Electronics, Communications and Computer (CONIELECOMP), 2010 20th International Conference; 2010 Feb 22-24; Cholula, Mexico. IEEE;2010. p.271-5.

[16] Burrow S, Grant D. Efficiency of low power audio amplifiers and loudspeakers. IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2001 Aug;47(3):622-30.

[17] Huang L, Zhang Z, Andersen MA, editors. A review of high voltage drive amplifiers for capacitive actuators. 47th International Universities Power Engineering Conference (UPEC). 2012 Sep 4-7; London, UK.IEEE;2012. p.1-6.

[18]   Kim HJ, Yang WS, No K. Improvement of low-frequency characteristics of piezoelectric speakers based on acoustic diaphragms. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. 2012 Sep 20;59(9):2027-35.

[19]  Iman-Eini H, Farhangi S. Analysis and design of power electronic transformer for medium voltage levels. 37th Power Electronics Specialists Conference; 2006 June 18-22; Jeju, South Korea. IEEE; 2007.p.1-5..

[20]  Boost MA, Ziogas PD. State-of-the-art carrier PWM techniques: A critical evaluation. IEEE transactions on industry applications. 1988;24(2):271-80.

[21]  Cha H, Vu T-K, editors. Comparative analysis of low-pass output filter for single-phase grid-connected Photovoltaic inverter. Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2010 Twenty-Fifth Annual IEEE; 2010: IEEE.

[22] Scrosati B. Recent advances in lithium ion battery materials. Electrochimica Acta. 2000;45(15-16):2461-6.