PWM功率放大電路

1、PWM功率放大電路盧浩天LC夢(mèng)創(chuàng)電子制作工作室一、PWM功率放大原理PWM功放電路有單極性和雙極性之分。雙極性指在一個(gè)PWM 周期內(nèi)，電機(jī)電樞電壓正、負(fù)極性改變一次；單極性指 PWM功放管 工作時(shí)，有一個(gè)PWM信號(hào)端和一個(gè)方向控制端，在電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 時(shí)，僅有對(duì)應(yīng)的一對(duì)功放管通電，而另一對(duì)功放管截止。因此，電機(jī) 電樞在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，正、負(fù)極性是固定的，即是單極性的。若忽略晶體管的管壓降，可以認(rèn)為PWM功率放大管的輸出電平 等于電源電壓，即|Uab|=Uc。圖1描繪了電樞的電壓波形和電流波形。 在圖中，T為PWM脈沖周期，Tp為正脈沖寬度，Th為負(fù)脈沖寬度。 電樞兩端的電流是一個(gè)脈動(dòng)的連續(xù)電流，

2、 從圖可看出，電樞兩端的電 流是一個(gè)脈動(dòng)的連續(xù)電流，加快PWM的切換頻率，電流的脈動(dòng)就變 小，結(jié)果近似于直流信號(hào)的效果，使電機(jī)均勻旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，如果改變 PWM的脈沖的寬度，電樞中的平均電流也將變化，電機(jī)的轉(zhuǎn)速便將 隨之改變，這就是PWM調(diào)速的原理。在圖中，PWM脈沖頻率決定了電樞電流的連續(xù)性，從而也決定 了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。如果脈沖頻率切換頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)的低速 性能有可能不理想，容易燒壞晶體管，而且由于電流不連續(xù)，電機(jī)有 可能產(chǎn)生劇烈震蕩，甚至出現(xiàn)嘯叫現(xiàn)象，這些都是不允許的。因此， 在設(shè)計(jì)PWM功率放大器時(shí)，要慎重選擇切換頻率。為了克服靜摩擦，改善運(yùn)行特性，切換頻率應(yīng)能使電機(jī)軸產(chǎn)生微振，即

3、:5世式中，Kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，心二（ Cm為電機(jī)電磁常數(shù)、門為勵(lì)磁 磁通），Uc為功放電源，La為電樞電感，Ts為電機(jī)靜摩擦力矩。單極性PVM（b破極性旳衛(wèi)圖】：電機(jī)電樞社圧與電濟(jì)波形另外，選擇切換頻率具體還應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：（1 ）微振的最大角位移應(yīng)小于允許的位置誤差。在伺服系統(tǒng)中,假設(shè)要求位置誤差小于，則要求切換頻率滿足下式:KtUc192LAJ式中，J為電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（2）應(yīng)盡量減小電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的高頻功耗。PWM脈沖信號(hào)的諧波 分量將引起電機(jī)內(nèi)部的功耗，降低效率。為此切換頻率應(yīng)足夠高，使 電機(jī)電樞感抗大大超過電樞內(nèi)阻，即要求Ft旦2La式中，Ra是電機(jī)電樞電阻。(3 )應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于

4、系統(tǒng)的固有頻率，防止系統(tǒng)固有振蕩。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮上述條件，在 1000Hz至數(shù)萬(wàn)Hz的范圍 內(nèi)選取PWM切換頻率。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，由于伺服電機(jī)的電樞電 感較小，如果頻率不夠高，交流分量過大，很容易燒毀功放管。不過 功放管的開關(guān)頻率總有一個(gè)限度，對(duì)大功率功放管來說，開關(guān)頻率越 高，制造工藝難度越大，成本也越高。因此，用戶要根據(jù)自己的實(shí)際 需要確定有關(guān)參數(shù)，使自己構(gòu)建的功率放大器有較高的性能價(jià)格比。二、標(biāo)準(zhǔn)的PWM功率放大器圖2舉出了一個(gè)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)雙極性 PWM功率放大器。它是一個(gè) 典型的H型功放，四個(gè)功放管分別采用 NPN型達(dá)林頓管TIP122和 PNP型達(dá)林頓管TIP127。PWM脈沖

5、信號(hào)通過光電耦合器件 4N35 加到晶體管的輸入端。4N35的作用是把控制電源與驅(qū)動(dòng)電源隔離， 以免驅(qū)動(dòng)器電源不穩(wěn)定影響整個(gè)控制系統(tǒng)；同時(shí)，4N35的輸出端還提供功放管的基極驅(qū)動(dòng)電流。U14NS52：取換性PMhl功放電路152夢(mèng)創(chuàng)電子制作二作室vccGND系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)PWM1端變?yōu)榈碗娖角襊WM2端為高 電平時(shí)，功放管Q2/Q3導(dǎo)通，Q1/Q4截止，電流從電機(jī)兩側(cè)的B點(diǎn) 流向A點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，反轉(zhuǎn)。二極管 D1、D2、D3、D4 是續(xù)流二極管，在晶體管切換時(shí)提供電流通路，并聯(lián)在二極管兩端的 電阻和電容也起續(xù)流作用。PWM1和PWM2是兩路控制信號(hào)。如果加上如圖3所示的信號(hào)，

6、 則構(gòu)成單極性功放電路。PWM信號(hào)由8051單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生， 由P1.0輸出。P1.1的高低電平代表電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。四個(gè)功放管采用 MOS管。當(dāng)電機(jī)要求正轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)的P1.1輸出高電平信號(hào)，該信 號(hào)分為三路：第一路接與門Y1的輸入端，使與門Y1的輸出由PWM 決定，所以開關(guān)管Q1柵極受PWM控制；第二路直接與開關(guān)管 Q4 相連使Q4導(dǎo)通；第三路經(jīng)非門連接到與門Y2的輸入端，使與門Y2 的輸出為0，結(jié)果開關(guān)管Q2截止。從非門輸出的另一路信號(hào)與開關(guān) 管Q3的柵極相連，其低電平信號(hào)也將使 Q3截止。類似地，電機(jī)要 求反轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P1.1輸出低電平信號(hào)，各功放管的導(dǎo)通與截止與 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)正好相反

7、。雙極性PWM電路中，PWM1和PWM2兩路控制信號(hào)通常不是 嚴(yán)格對(duì)稱的，造成切換過程中有一個(gè)小的時(shí)間延遲 Tw，如圖4所示 Tw實(shí)際上是功率管的開關(guān)時(shí)間，考慮時(shí)間延遲的目的是為了防止 H 橋同側(cè)的功放管在開關(guān)切換時(shí)短路。LC夢(mèng)創(chuàng)電于制作工作室OPXVM1波形LC夢(mèng)創(chuàng)電子制作工作室I I KI II ILL_pm?彼形圖4； PVXI信號(hào)切換延時(shí)時(shí)序三、集成PWM功率放大器目前，針對(duì)中小功率的PWM功放電路已經(jīng)有現(xiàn)成的集成分立器 件出售，由于所有的PWM功能集成在一塊芯片上，使得這些集成分 立器件可靠性高，性能好，使用方便。對(duì)于初學(xué)者而言，調(diào)定功放電 路元器件各種參數(shù)既麻煩又需要經(jīng)驗(yàn)， 然而集

8、成PWM功放器件的出 現(xiàn)，簡(jiǎn)化了問題。下面以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LMD18245為例來說一下。LMD18245是采用DMOS工藝的H橋PWM集成功放電路芯片，專供直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，共有 15個(gè)引腳，T-220封裝。圖5 是該芯片的外形和引腳圖。電源電壓范圍為12 55V，額定電流3A， 峰值電流6A。Top View二 OUT 2 二| DAG REF A CS OUT A SGND 二J DIRECTION A BRAKE 二VCC 二i Ml 二 M2 M3 n PGND n M4 n rc二 COMP OUT 二3 OUT 1DSHISTf-：圖5 : LMD18245外形和引腳圖

9、6是LMD18245的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。BRAKE和DIRECTION 兩個(gè)控制信號(hào)的組合決定芯片工作于單極性 PWM還是雙極性PWM。表 1描述了這兩種組合對(duì)應(yīng)的 DMOS管的導(dǎo)通情況。在表1中，MONO 為電流監(jiān)測(cè)信號(hào)，如不考慮它的影響，在BRAKE端加上PWM信號(hào)， 在DIRECTION端加上一個(gè)固定電平，則 LMD18245工作在單極性 PWM方式；反之，如果在 BRAKE端加上低電平，在 DIRECTION 端加上PWM脈沖，則LMD18245工作在雙極性平 PWM方式。從 圖6的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，該芯片內(nèi)部帶有電流反饋控制電路， 為保證電 流反饋電路正常工作，必須在 CS OUT端接一個(gè)電流取樣電阻到地， 該電阻值R決定了電壓比較器(COMPAPATOR )-”端電壓值/_。該 電壓計(jì)算公式為：v_ = Ru 250 10 V。電壓比較器的“+”端電壓/的計(jì)算公式為:V VDACREFV。式中Vdacref是參考電壓，D是0 15的常數(shù)，由M1 M4決定。用戶可以根據(jù)需要來設(shè)置 M1 M4的大小，從而限制電機(jī)的電樞電流。CUT 1OUT!ccSGN&COMP OUTPGHODAC REFW1 M2 M3 W4Order NumbeLMD18245T See NS Pa