Высокая эффективность усилителей мощности (УМ) класса Е позволяет использовать их в портативных устройствах, так как при больших уровнях выходной мощности можно достичь более длительного срока службы химического элемента питания. Существенная проблема усилителя мощности класса Е - изменение выходной мощности вследствие отклонения достигнутого режима работы даже при небольших изменениях номиналов собственной индуктивности частотного фильтра и сопротивления нагрузки. В работе предложен вариант решения данной проблемы с помощью динамического изменения емкостей конденсаторов в нагрузочной цепи УМ класса Е, которые зависят от номиналов собственной индуктивности частотного фильтра и сопротивления нагрузки. Исследована возможность достижения номинального и двух типов субноминальных режимов работы УМ класса Е при динамическом изменении емкостей конденсаторов в нагрузочной цепи в диапазоне номиналов частотного фильтра и сопротивления нагрузки. Обнаружено, что существуют такие номиналы емкостей конденсаторов, с помощью которых всегда можно достичь номинального или субноминальных режимов работы при любых значениях остальных компонентов схемы. При этом изменение номиналов частотного фильтра и сопротивления нагрузки с последующим достижением режима работы позволяет стабилизировать требуемую выходную мощность в УМ класса Е. Предложенная схема УМ класса Е стабилизирует выходную мощность (0,65 Вт) с эффективностью не менее 85 % при изменяемых сопротивлении нагрузки от 5 до 30 Ом и собственной индуктивности частотного фильтра от 5 до 15 мкГн.
-
Ключевые слова:
усилитель мощности класса Е, режим работы усилителя мощности, стабильная выходная мощность
-
Информация о финансировании:
работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-03-2020-216).
-
Для цитирования:
Гуров К. О., Миндубаев Э. А., Данилов А. А. Достижение стабильной выходной мощности и эффективности усилителя мощности класса E при изменении собственной индуктивности частотного фильтра и сопротивления нагрузки // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 753–762. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-753-762
1. Quezon P. T., Francis de Guzman M., Mendoza G. G. RF power amplifier efficiency improvement under antenna impedance variation using a tunable matching network // TENCON 2018 – 2018 IEEE Region 10 Conference. Jeju: IEEE, 2018. P. 0333–0337. https://doi.org/10.1109/TENCON.2018.8650383
2. Min-Pyo L., Kim S., Hong S.-J., Kim D.-W. Compact 20-W GaN internally matched power amplifier for 2.5 GHz to 6 GHz jammer systems // Micromachines. 2020. Vol. 11. Iss. 4. Art. No. 375. https://doi.org/10.3390/mi11040375
3. Raja R., Theegala R., Venkataramani B. A class-E power amplifier with high efficiency and high power-gain for wireless sensor network // Microsyst. Technol. 2017. Vol. 23. Iss. 9. P. 4179–4193. https://doi.org/10.1007/s00542-016-3022-0
4. Zahid M. N., Jiang J., Lu H., Zhang H. A modified design of class-E power amplifier with balanced FETs and high output power for RFID applications // Proceedings of Engineering and Technology Innovation. 2021. Vol. 19. P. 28–37. https://doi.org/10.46604/peti.2021.7442
5. Kilinc E. G., Dehollain C., Maloberti F. Remote powering and data communication for implanted biomedical systems. Cham: Springer, 2016. X, 146 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-21179-4
6. Class E power amplifier design and optimization for the capacitive coupled wireless power transfer system in biomedical implants / R. Narayanamoorthi, J. A. Vimala, C. Bharatiraja et al. // Energies. 2017. Vol. 10. Iss. 9. Art. No. 1409. https://doi.org/10.3390/en10091409
7. A device for wireless powering of battery-free implants via inductive coupling / A. A. Danilov, E. A. Mindubaev, K. O. Gurov et al. // Biomed. Eng. 2020. Vol. 53. Iss. 5. P. 309–311. https://doi.org/10.1007/s10527-020-09932-2
8. Kubowicz R. Class-E power amplifier: MSc (El. and Comp. Eng.) diss. Toronto, 2000. 97 p.
9. Analysis and implementation of inverter wide-range soft switching in WPT system based on class E inverter / S. Zhang, J. Zhao, Y. Wu et al. // Energies. 2020. Vol. 13. Iss. 19. Art. No. 5187. https://doi.org/10.3390/en13195187
10. Surkov O. A., Danilov A. A., Mindubaev E. A. An algorithm for designing AC genera-tors for inductive powering systems of batteryless implants // Biomed. Eng. 2019. Vol. 52. Iss. 5. P. 331–334. https://doi.org/10.1007/s10527-019-09841-z
11. Sokal N. O. Class-E RF power amplifiers // QEX. 2001. Vol. 204 (1). P. 9–20.
12. Ahmadi M. M., Salehi-Sirzar M. A self-tuned class-E power oscillator // IEEE Transac-tions on Power Electronics. 2019. Vol. 34. No. 5. P. 4434–4449. https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2859387
13. Liu H., Shao Q., Fang X. Modeling and optimization of class-E amplifier at subnominal condition in a wireless power transfer system for biomedical implants // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 2017. Vol. 11. No. 1. P. 35–43. https://doi.org/10.1109/TBCAS.2016.2538320
14. Chen P., He S. Investigation of inverse class-E power amplifier at sub-nominal condition for any duty ratio // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2015. Vol. 62. No. 4. P. 1015–1024. https://doi.org/10.1109/TCSI.2015.2390557
15. Ahmadi M. M., Pezeshkpour S., Kabirkhoo Z. A high-efficiency ASK-modulated class-E power and data transmitter for medical implants // IEEE Transactions on Power Electronics. 2022. Vol. 37. No. 1. P. 1090–1101. https://doi.org/10.1109/TPEL.2021.3092829
16. Hayati M., Lotfi A., Kazimierczuk M. K., Sekiya H. Modeling and analysis of class-E amplifier with a shunt inductor at sub-nominal operation for any duty ratio // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2014. Vol. 61. No. 4. P. 987–1000. https://doi.org/10.1109/TCSI.2013.2283692
17. Hayati M., Lotfi A., Kazimierczuk M. K., Sekiya H. Performance study of class-E power amplifier with a shunt inductor at subnominal condition // IEEE Transactions on Power Elec-tronics. 2013. Vol. 28. No. 8. P. 3834–3844. https://doi.org/10.1109/TPEL.2012.2227814
18. Gurov K. O., Mindubaev E. A., Danilov A. A. Increasing power performance for a class Е amplifier based on analysis of the transistor drain current oscillogram // Russ. Electr. Engin. 2021. Vol. 92. Iss. 12. P. 761–766. https://doi.org/10.3103/S1068371221120087