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用PWM放大器实现400Hz电源

作者:时间:2004-12-06来源:网络收藏
摘要:介绍了美国Apex Microtechnolgy公司生产的大功率脉宽调制型的基本工作原理及如何用它来设计/115V的具体方法,并给出它的设计电路图。

关键词:脉宽调制;LC低通滤波器;SA08

高压大电流PWM混合电路的实用性已经吸引了许多习惯采用线性的工程师。由于PWM脉宽调制的效率为70%到97%,因而有效降低了放大器的内部功耗,减小了散热器及整个系统的尺寸,同时,采用混合电路放大器也提高了整个系统的可靠性和易操作性。

1 PWM脉宽调制放大器工作原理

图1显示了一个基本的PWM放大器模型,Vin是一个模拟DC输入,Aout是一个占空比可调的脉冲串,Bout是一个同Aout反相的脉冲串,PWM振荡器决定着脉冲串的频率。实际上,Apex的有些放大器也允许输入外部振荡器信号。当输入信号从小到大变化时,Aout的占空比将从0到100%变化,Bout则从100%到0变化,Aout-Bout是一个同Aout相位相同的脉冲串,但幅度是Vsp-p的2倍。

如果在Aout和Bout之间接一个直流有刷电机,那么,就可以通过输入信号控制电机的转速。若将输入信号设置为输入电压范围的中间电压,则在Aout和Bout上会产生50%占空比的脉冲串,此时电机将静止不动。当Vin达到最大值时,电机将以最高转速旋转,当Vin达到最小值时,电机将按反方向以最高转速旋转。设计时,可以直接将电机连到Aout和Bout上,因为电机绕阻的电感会将脉冲电压转换成直流纹波电流。这样,它的幅度便可用来控制电机的转速,并用极性控制电机的旋转方向,图1中的 LC滤波器可用于PWM脉冲的滤波,以确保在负载上获得一个模拟信号。

2 SA08放大器的引脚功能

图2是SA08的外形图和引脚排列,各引脚的主要功能如下:

CLK IN:外部振荡器输入脚;

CLK OUT:内部振荡器输出脚,其输出频率为42kHz;

+PWM:内部比较器的同相端;

-PWM/RAMP:内部比较器反相端。SA08放大器可在内部把CLK IN输入振荡器的方波频率进行二分频,然后通过RC网络输入到PWM/RAMP管脚;

GND:信号地;

ILIM/SHDN:关断管脚,可以限流及外部关断两种功能;

ISENSEA/ISENSEB:电流采样管脚;

AOUT/BOUT:放大器的两个输出管脚;

Vcc:低压,典型值为15V;

Vs:功率,电压范围为16V~500V。

3 SA08的结构原理

SA08脉宽调制放大器的工作电源最高可达500V,连续工作电流最大为20A?峰值电流为28A。42kHz的内部振荡器频率二分频后可作为内部大功率IGBT管的开关频率。在每个半桥下面都有一个电流采样管脚,可以采样电流的大小和方向,以便四象限控制。器件在SHDN管脚上输入一个高电平信号可以关断H桥的四个输出IGBT管。同时,SA08内部还具有过流和过热保护功能。由于SA08采用12管脚3平方英寸的MO-127密封金属壳封装,且管壳同内部电路电隔离,因此可以很方便地直接安装散热器。图3所示是SA08的内部结构原理图。

4 基于SA08的400Hz/115V电源电路

图4是用SA08的400Hz/115V电源电路。对220VAC交流电源进行全桥整流和滤波便可为SA08提供电源。在SA08的输出直接取电压反馈,然后通过有源滤波差分放大器滤掉SA08的开关频率,再把400Hz输入信号源同滤波后的反馈电压进行比较,就可以校正系统误差。最后,把SA08的输出通过LC低通滤波器对开关频率进行衰减,电路便可以提取400Hz信号并输出到负载上。

在图4电路中,X6是一个全桥整流器,在相同的滤波电容下,采用全桥整流比采用半桥整流更能充分地降低输出电压纹波。而选择SA08是因为它的电源电压和电流可以分别达到500V和20A。

由于SA08的输出为PWM信号,所以输出必须采用低通滤波器以解调400Hz信号。

电路中的L1,L2,C2,C3组成了一个两阶的巴特沃夫低通滤波器。对于一个20Ω的负载,该滤波器具有最大的通频带平坦度,其截止频率为2kHz,几乎为SA08开关频率的十分之一。当负载变化时,该截止频率不会发生变化,但会影响Q系数。为了获得更小的输出纹波电压及噪声,也可以降低LC滤波器的截止频率。

2kHz有源滤波器同X4可组成电压反馈通道,因为该通道传输的仅仅是电压反馈小信号,而不是功率信号,所以,采用有源滤波器设计时同样要选择其截止频率为2kHz。

运算放大器X3以及它周围元件的作用有两个:其一是作为一个差分运算放大器反馈输出采样电压。其二是作为一个有源低通滤波器将输出采样电压从PWM信号中解调出来。需要注意的是,在设计电路时,必须确认反馈电压的极性以确保其为负反馈。

图4

输出快恢复二极管D2、D3、D4、D7的作用是保证SA08在驱动感性负载时,不会被负载的反馈能量所损坏。通常要求恢复时间至少小于100ns,它的反向耐压必须大于或等于电源电压。R15、R16、R17主要用于防止加电瞬间SA08进入非正常工作状态。R16、R17在加电瞬间可将SA08的+PWM输入端偏置到5V,以便使SA08可以立刻输出50%占空比的脉冲信号。R15则可用于防止+PWM输入端过流。

5 结束语

采用SA08 PWM放大器不仅可以设计电压源,而且采用电流反馈时,还可以用SA08设计电流源以实现对四象限有刷直流电机的控制,从而完成一个伺服系统的设计。

需要注意的是:由于在该电路中没有采用变压器,加之220VAC交流源同内部电路之间没有隔离,因此,设计时应将机壳接保护大地,并保证火线和中线的正确连接。特别要注意内部电路的地不能连接到大地或机壳上。

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