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用PWM放大器實現(xiàn)400Hz電源

作者: 時間:2004-12-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:介紹了美國Apex Microtechnolgy公司生產(chǎn)的大功率脈寬調(diào)制型的基本工作原理及如何用它來設(shè)計/115V的具體方法,并給出它的設(shè)計電路圖。

關(guān)鍵詞:脈寬調(diào)制;LC低通濾波器;SA08

高壓大電流PWM混合電路的實用性已經(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系統(tǒng)的尺寸,同時,采用混合電路放大器也提高了整個系統(tǒng)的可靠性和易操作性。

1?。校祝兔}寬調(diào)制放大器工作原理

圖1顯示了一個基本的PWM放大器模型,Vin是一個模擬DC輸入,Aout是一個占空比可調(diào)的脈沖串,Bout是一個同Aout反相的脈沖串,PWM振蕩器決定著脈沖串的頻率。實際上,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,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,此時電機(jī)將靜止不動。當(dāng)Vin達(dá)到最大值時,電機(jī)將以最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),當(dāng)Vin達(dá)到最小值時,電機(jī)將按反方向以最高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。設(shè)計時,可以直接將電機(jī)連到Aout和Bout上,因為電機(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)載上獲得一個模擬信號。

2 SA08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:

CLK IN:外部振蕩器輸入腳;

CLK OUT: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CLK IN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:放大器的兩個輸出管腳;

Vcc:低壓,典型值為15V;

Vs:功率,電壓范圍為16V~500V。

3 SA08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。在每個半橋下面都有一個電流采樣管腳,可以采樣電流的大小和方向,以便四象限控制。器件在SHDN管腳上輸入一個高電平信號可以關(guān)斷H橋的四個輸出IGBT管。同時,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是因為它的電源電壓和電流可以分別達(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組成了一個兩階的巴特沃夫低通濾波器。對于一個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,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,因為該通道傳輸?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)計時同樣要選擇其截止頻率為2kHz。

運算放大器X3以及它周圍元件的作用有兩個:其一是作為一個差分運算放大器反饋輸出采樣電壓。其二是作為一個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)計電路時,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,不會被負(fù)載的反饋能量所損壞。通常要求恢復(fù)時間至少小于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SA08 PWM放大器不僅可以設(shè)計電壓源,而且采用電流反饋時,還可以用SA08設(shè)計電流源以實現(xiàn)對四象限有刷直流電機(jī)的控制,從而完成一個伺服系統(tǒng)的設(shè)計。

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)計時應(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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