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用PWM放大器實(shí)現(xiàn)400Hz電源
摘要：介紹了美國ApexMicrotechnolgy公司生產(chǎn)的大功率PWM脈寬調(diào)制型放大器的基本工作原理及如何用它來設(shè)計(jì)400Hz/115V電源的具體方法，并給出它的設(shè)計(jì)電路圖。關(guān)鍵詞：PWM脈寬調(diào)制放大器；LC低通濾波器；SA08
高壓大電流ＰＷＭ混合電路放大器的實(shí)用性已經(jīng)吸引了許多習(xí)慣采用線性放大器的工程師。由于ＰＷＭ脈寬調(diào)制放大器的效率為７０％到９７％，因而有效降低了放大器的內(nèi)部功耗，減小了散熱器及整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，同時(shí)，采用混合電路放大器也提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和易操作性。
１ＰＷＭ脈寬調(diào)制放大器工作原理
圖１顯示了一個(gè)基本的ＰＷＭ放大器模型,Ｖｉｎ是一個(gè)模擬ＤＣ輸入，Ａｏｕｔ是一個(gè)占空比可調(diào)的脈沖串，Ｂｏｕｔ是一個(gè)同Ａｏｕｔ反相的脈沖串，ＰＷＭ振蕩器決定著脈沖串的頻率。實(shí)際上，Ａｐｅｘ的有些放大器也允許輸入外部振蕩器信號。當(dāng)輸入信號從小到大變化時(shí)，Ａｏｕｔ的占空比將從０到１００％變化，Ｂｏｕｔ則從１００％到０變化，Ａｏｕｔ－Ｂｏｕｔ是一個(gè)同Ａｏｕｔ相位相同的脈沖串，但幅度是Ｖｓｐ－ｐ的２倍。
如果在Ａｏｕｔ和Ｂｏｕｔ之間接一個(gè)直流有刷電機(jī)，那么，就可以通過輸入信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。若將輸入信號設(shè)置為輸入電壓范圍的中間電壓，則在Ａｏｕｔ和Ｂｏｕｔ上會產(chǎn)生５０％占空比的脈沖串，此時(shí)電機(jī)將靜止不動。當(dāng)Ｖｉｎ達(dá)到最大值時(shí)，電機(jī)將以最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)Ｖｉｎ達(dá)到最小值時(shí)，電機(jī)將按反方向以最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接將電機(jī)連到Ａｏｕｔ和Ｂｏｕｔ上，因?yàn)殡姍C(jī)繞阻的電感會將脈沖電壓轉(zhuǎn)換成直流紋波電流。這樣，它的幅度便可用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并用極性控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，圖１中的ＬＣ濾波器可用于ＰＷＭ脈沖的濾波，以確保在負(fù)載上獲得一個(gè)模擬信號。
２ＳＡ０８放大器的引腳功能
圖２是ＳＡ０８的外形圖和引腳排列，各引腳的主要功能如下：
ＣＬＫＩＮ：外部振蕩器輸入腳；
ＣＬＫＯＵＴ：內(nèi)部振蕩器輸出腳，其輸出頻率為４２ｋＨｚ；
＋ＰＷＭ：內(nèi)部比較器的同相端；
－ＰＷＭ／ＲＡＭＰ：內(nèi)部比較器反相端。ＳＡ０８放大器可在內(nèi)部把ＣＬＫＩＮ輸入振蕩器的方波頻率進(jìn)行二分頻，然后通過ＲＣ網(wǎng)絡(luò)輸入到ＰＷＭ／ＲＡＭＰ管腳；
ＧＮＤ：信號地；
ＩＬＩＭ／ＳＨＤＮ：關(guān)斷管腳，可以實(shí)現(xiàn)限流及外部關(guān)斷兩種功能；
ＩＳＥＮＳＥＡ／ＩＳＥＮＳＥＢ：電流采樣管腳；
ＡＯＵＴ／ＢＯＵＴ：放大器的兩個(gè)輸出管腳；
Ｖｃｃ：低壓電源，典型值為１５Ｖ；
Ｖｓ：功率電源，電壓范圍為１６Ｖ～５００Ｖ。
３ＳＡ０８的結(jié)構(gòu)原理
ＳＡ０８脈寬調(diào)制放大器的工作電源最高可達(dá)５００Ｖ，連續(xù)工作電流最大為２０Ａ?峰值電流為２８Ａ。４２ｋＨｚ的內(nèi)部振蕩器頻率二分頻后可作為內(nèi)部大功率ＩＧＢＴ管的開關(guān)頻率。在每個(gè)半橋下面都有一個(gè)電流采樣管腳，可以采樣電流的大小和方向，以便實(shí)現(xiàn)四象限控制。器件在ＳＨＤＮ管腳上輸入一個(gè)高電平信號可以關(guān)斷Ｈ橋的四個(gè)輸出ＩＧＢＴ管。同時(shí)，ＳＡ０８內(nèi)部還具有過流和過熱保護(hù)功能。由于ＳＡ０８采用１２管腳３平方英寸的ＭＯ－１２７密封金屬殼封裝，且管殼同內(nèi)部電路電隔離，因此可以很方便地直接安裝散熱器。圖３所示是ＳＡ０８的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。
４基于ＳＡ０８的４００Ｈｚ／１１５Ｖ電源電路
圖４是用ＳＡ０８實(shí)現(xiàn)的４００Ｈｚ／１１５Ｖ電源電路。對２２０ＶＡＣ交流電源進(jìn)行全橋整流和濾波便可為ＳＡ０８提供電源。在ＳＡ０８的輸出直接取電壓反饋，然后通過有源濾波差分放大器濾掉ＳＡ０８的開關(guān)頻率，再把４００Ｈｚ輸入信號源同濾波后的反饋電壓進(jìn)行比較，就可以校正系統(tǒng)誤差。最后，把ＳＡ０８的輸出通過ＬＣ低通濾波器對開關(guān)頻率進(jìn)行衰減，電路便可以提取４００Ｈｚ信號并輸出到負(fù)載上。
在圖４電路中，Ｘ６是一個(gè)全橋整流器，在相同的濾波電容下，采用全橋整流比采用半橋整流更能充分地降低輸出電壓紋波。而選擇ＳＡ０８是因?yàn)樗碾娫措妷汉碗娏骺梢苑謩e達(dá)到５００Ｖ和２０Ａ。
由于ＳＡ０８的輸出為ＰＷＭ信號，所以輸出必須采用低通濾波器以解調(diào)４００Ｈｚ信號。
電路中的Ｌ１,Ｌ２,Ｃ２,Ｃ３組成了一個(gè)兩階的巴特沃夫低通濾波器。對于一個(gè)２０Ω的負(fù)載，該濾波器具有最大的通頻帶平坦度，其截止頻率為２ｋＨｚ，幾乎為ＳＡ０８開關(guān)頻率的十分之一。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，該截止頻率不會發(fā)生變化，但會影響Ｑ系數(shù)。為了獲得更小的輸出紋波電壓及噪聲，也可以降低ＬＣ濾波器的截止頻率。
２ｋＨｚ有源濾波器同Ｘ４可組成電壓反饋通道，因?yàn)樵撏ǖ纻鬏數(shù)膬H僅是電壓反饋小信號，而不是功率信號，所以，采用有源濾波器設(shè)計(jì)時(shí)同樣要選擇其截止頻率為２ｋＨｚ。
運(yùn)算放大器Ｘ３以及它周圍元件的作用有兩個(gè)：其一是作為一個(gè)差分運(yùn)算放大器反饋輸出采樣電壓。其二是作為一個(gè)有源低通濾波器將輸出采樣電壓從ＰＷＭ信號中解調(diào)出來。需要注意的是，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須確認(rèn)反饋電壓的極性以確保其為負(fù)反饋。
圖4
輸出快恢復(fù)二極管Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ７的作用是保證ＳＡ０８在驅(qū)動感性負(fù)載時(shí)，不會被負(fù)載的反饋能量所損壞。通常要求恢復(fù)時(shí)間至少小于１００ｎｓ，它的反向耐壓必須大于或等于電源電壓。Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７主要用于防止加電瞬間ＳＡ０８進(jìn)入非正常工作狀態(tài)。Ｒ１６、Ｒ１７在加電瞬間可將ＳＡ０８的＋ＰＷＭ輸入端偏置到５Ｖ，以便使ＳＡ０８可以立刻輸出５０％占空比的脈沖信號。Ｒ１５則可用于防止＋ＰＷＭ輸入端過流。
５結(jié)束語
采用ＳＡ０８ＰＷＭ放大器不僅可以設(shè)計(jì)電壓源，而且采用電流反饋時(shí)，還可以用ＳＡ０８設(shè)計(jì)電流源以實(shí)現(xiàn)對四象限有刷直流電機(jī)的控制，從而完成一個(gè)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
需要注意的是：由于在該電路中沒有采用變壓器，加之２２０ＶＡＣ交流源同內(nèi)部電路之間沒有隔離，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將機(jī)殼接保護(hù)大地，并保證火線和中線的正確連接。特別要注意內(nèi)部電路的地不能連接到大地或機(jī)殼上。
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