基于MSK4225的中频电源设计和实现

摘要：介绍了PWM调制放大器MSK4225的基本原理和内部结构。并以其为核心，结合单片机和DDS芯片，给出了一种高精度、高效率的PWM调制可变频中频电源的硬件电路，同时对PWM调制放大器MSK4225在中频电源中的使用进行了详细介绍。
关键词：PWM调制放大器；正弦波；直接数字频率合成(DDS)；MSK4225

0 引言
中频电源是广泛应用于国防和工业领域的一种电能转换设备，它主要是将50Hz交流市电转换成频率为400～1000Hz和特殊电压的供电电源，以供给同步电机、陀螺等特种设备使用。
中频电源按其功率变换形式可分为旋转电机、线性放大和PWM调制三种。在早期的中频电源中，旋转电机是最为常用的一种，但由于其体积大、噪音大、设备笨重、输出波形差等原因已经被逐渐淘汰，在新的电源设备中很难看到它的踪影；采用大电流高电压运算放大器也是中频逆变电源的一种功率变换形式，该形式的优点是波形好，电磁兼容性好，但这种方法效率低，只适合于功率较小的情况；另外就是采用PWM调制形式的中频电源，这是现在最常用的一种中频电源，这种方式可使逆变电源技术与现代数字控制技术有效结合，并可通过DDS频率合成技术或DSP控制使电源实现全数字化，它一般采用IGBT或MOSFET作为功率器件，因而具有功率大、效率高等优点，但PWM调制电路和IGBT驱动电路比较复杂，且IGBT的开关频率有限，当输出信号频率达到1kHz以上时，对于开关频率只有20kHz左右的IGBT，其输出波形的失真度比较大。
PWM放大器是一种高效率的功率放大器件，几年来已被大量应用(例如美国M．S．Kennedy公司的MSK4225)。这种放大器将PWM调制电路、MOSFET驱动电路和“H”桥功率逆变电路集成在一个封装内，同时还集成有一定的保护功能。PWM调制放大器通常用于音频功率放大、直流电机调速等场合。这种功率放大器具有集成度高、效率高、可靠性高、外围电路简单等优点。由于MOSFET工作频率高，所以可以较好地还原输入波形。这样，如将正弦信号输入PWM放大器，就可以得到一种高效率、高精度的正弦波逆变电源。本文讨论的就是基于MSK4225设计的一种中频逆变电源。

1 PWM放大器的基本原理
PWM放大器即脉宽调制放大器，这是根据PWM脉宽调制原理发展起来的一种高效放大器，现在已经广泛应用于直流电机调速，大功率音频放大等。PWM脉宽调制原理是由能量等效原理发展起来的一种调制法，假如调制波形为正弦波，为了得到近似的正弦波的脉宽调制波形，通常可将正弦波的一个周期在时间上划分成N等份(N是偶数)，每一等份的脉宽为2π／N。而在每个特定的时间间隔中，则可以用一个脉冲幅度都等于U△m的矩形电压脉冲来分别代替相应的正弦波部分，其脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例。这样的N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。假设正弦波的幅值为，等效矩形波的幅值为U△m，则各等效矩形脉冲波的宽度δi为：

式中，是各时间间隔分段的中心角，也就是各等效脉冲的位置中心角。该公式表明：由能量等效法得出的等效脉冲宽度δi与分段中心角βi的正弦值成正比。
图1所示是一个PWM调制电路及其波形图。在实际的逆变器中，常用比较器组成的脉宽调制电路来产生上述脉宽调制波。若将三角波脉冲送到比较器的反相端(-)，三角波频率就是载波频率，而将调制波送到比较器的同相端(+)，则在比较器输出端将得到一串矩形方波脉冲序列。