基于MSK4225的中頻電源設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了PWM調(diào)制放大器MSK4225的基本原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。并以其為核心，結(jié)合單片機(jī)和DDS芯片，給出了一種高精度、高效率的PWM調(diào)制可變頻中頻電源的硬件電路，同時(shí)對(duì)PWM調(diào)制放大器MSK4225在中頻電源中的使用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵詞：PWM調(diào)制放大器；正弦波；直接數(shù)字頻率合成(DDS)；MSK4225

0 引言
    中頻電源是廣泛應(yīng)用于國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域的一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，它主要是將50Hz交流市電轉(zhuǎn)換成頻率為400～1000Hz和特殊電壓的供電電源，以供給同步電機(jī)、陀螺等特種設(shè)備使用。
    中頻電源按其功率變換形式可分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)、線性放大和PWM調(diào)制三種。在早期的中頻電源中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)是最為常用的一種，但由于其體積大、噪音大、設(shè)備笨重、輸出波形差等原因已經(jīng)被逐漸淘汰，在新的電源設(shè)備中很難看到它的蹤影；采用大電流高電壓運(yùn)算放大器也是中頻逆變電源的一種功率變換形式，該形式的優(yōu)點(diǎn)是波形好，電磁兼容性好，但這種方法效率低，只適合于功率較小的情況；另外就是采用PWM調(diào)制形式的中頻電源，這是現(xiàn)在最常用的一種中頻電源，這種方式可使逆變電源技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有效結(jié)合，并可通過(guò)DDS頻率合成技術(shù)或DSP控制使電源實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，它一般采用IGBT或MOSFET作為功率器件，因而具有功率大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但PWM調(diào)制電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，且IGBT的開(kāi)關(guān)頻率有限，當(dāng)輸出信號(hào)頻率達(dá)到1kHz以上時(shí)，對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率只有20kHz左右的IGBT，其輸出波形的失真度比較大。
    PWM放大器是一種高效率的功率放大器件，幾年來(lái)已被大量應(yīng)用(例如美國(guó)M．S．Kennedy公司的MSK4225)。這種放大器將PWM調(diào)制電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路和“H”橋功率逆變電路集成在一個(gè)封裝內(nèi)，同時(shí)還集成有一定的保護(hù)功能。PWM調(diào)制放大器通常用于音頻功率放大、直流電機(jī)調(diào)速等場(chǎng)合。這種功率放大器具有集成度高、效率高、可靠性高、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。由于MOSFET工作頻率高，所以可以較好地還原輸入波形。這樣，如將正弦信號(hào)輸入PWM放大器，就可以得到一種高效率、高精度的正弦波逆變電源。本文討論的就是基于MSK4225設(shè)計(jì)的一種中頻逆變電源。

1 PWM放大器的基本原理
    PWM放大器即脈寬調(diào)制放大器，這是根據(jù)PWM脈寬調(diào)制原理發(fā)展起來(lái)的一種高效放大器，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速，大功率音頻放大等。PWM脈寬調(diào)制原理是由能量等效原理發(fā)展起來(lái)的一種調(diào)制法，假如調(diào)制波形為正弦波，為了得到近似的正弦波的脈寬調(diào)制波形，通?？蓪⒄也ǖ囊粋€(gè)周期在時(shí)間上劃分成N等份(N是偶數(shù))，每一等份的脈寬為2π／N。而在每個(gè)特定的時(shí)間間隔中，則可以用一個(gè)脈沖幅度都等于U△m的矩形電壓脈沖來(lái)分別代替相應(yīng)的正弦波部分，其脈寬與其對(duì)應(yīng)的正弦波所包含的面積相等或成比例。這樣的N個(gè)寬度不等的脈沖就組成了一個(gè)與正弦波等效的脈寬調(diào)制波形。假設(shè)正弦波的幅值為，等效矩形波的幅值為U△m，則各等效矩形脈沖波的寬度δi為：
   
    式中，是各時(shí)間間隔分段的中心角，也就是各等效脈沖的位置中心角。該公式表明：由能量等效法得出的等效脈沖寬度δi與分段中心角βi的正弦值成正比。
    圖1所示是一個(gè)PWM調(diào)制電路及其波形圖。在實(shí)際的逆變器中，常用比較器組成的脈寬調(diào)制電路來(lái)產(chǎn)生上述脈寬調(diào)制波。若將三角波脈沖送到比較器的反相端(-)，三角波頻率就是載波頻率，而將調(diào)制波送到比較器的同相端(+)，則在比較器輸出端將得到一串矩形方波脈沖序列。

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2 PWM放大器MSK4225
    MSK4225內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該放大器主要由3個(gè)部分組成，分別是45kHz PWM調(diào)制電路、“H”驅(qū)動(dòng)電路和“H”橋功率變換電路。而PWM調(diào)制電路則由三角波電路、比較電路、死區(qū)保護(hù)電路等組成：驅(qū)動(dòng)電路由隔離電路、電平轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路組成。這些電路如果使用小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，使用器件比較多，而且調(diào)試復(fù)雜，產(chǎn)品一致性控制困難。而MSK4225將這些電路集成在一個(gè)封裝內(nèi)，并采用冷底板設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而且由于免去了高頻信號(hào)線的布線，因而也減少了系統(tǒng)的高頻干擾，提高了系統(tǒng)的工作可靠性和電源品質(zhì)。

    MSK4225的控制部分采用+12V單電源供電，并設(shè)計(jì)有一個(gè)高電平使能端“HEN”和一個(gè)低電平使能端“DIS”，而且使能端控制與TTL電平兼容。信號(hào)輸入“INPUT”設(shè)計(jì)為6V±2V，即6V為信號(hào)“零”，這時(shí)，輸出OUTA和OUTB之間的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后，其電壓為0V；而信號(hào)輸入在4V和8V時(shí)，其輸出為最大值。
    由于MSK4225的功率變換采用“H”橋變換，并在器件散熱底板上集成了4個(gè)大功率MOSFET管，故使功率器件具有良好的散熱性能。MSK42-25的最大工作電壓為75V，工作電流為20A，其“RSENSEA”和“RSENSEB”端通過(guò)采樣電阻接地，因而可以對(duì)放大器的功率部分提供電流保護(hù)。

3 中頻電源的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    以MSK4225為核心的逆變電源設(shè)計(jì)中，可采用DDS芯片AD7008作為正弦信號(hào)源，AVR單片機(jī)Atmega64作為控制芯片，并附加少量外圍控制保護(hù)電路。
    該中頻電源主要由控制電路、正弦信號(hào)電路、功率逆變電路和DC-DC直流變換電路等組成。其電源結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    圖3所示電路中的AVR單片機(jī)ATmega64是電源的控制中樞，主要功能是通過(guò)傳感器測(cè)量電源輸出的電壓、電流和頻率，完成面板各種測(cè)量值的顯示，面板設(shè)置按鍵的處理，通過(guò)D／A芯片設(shè)定電源的輸出電壓，控制AD7008輸出正弦信號(hào)的頻率和完成電源保護(hù)和輸出控制等。
    正弦信號(hào)電路以DDS芯片AD7008為核心，并采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的數(shù)控信號(hào)源。它的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率精度高，波形失真小，故可很好地解決原來(lái)模擬LC振蕩器頻率不穩(wěn)的問(wèn)題，可在較大的頻率范圍內(nèi)輸出高精度正弦波。AD7008產(chǎn)生的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)變換濾波后，可形成以6V為中心幅，峰峰值約為3V的正弦信號(hào)。經(jīng)過(guò)功率變換電路MSK4225將其放大為PWM波信號(hào)，再經(jīng)LC濾波，就可得到有效值在20V左右的正弦信號(hào)。本設(shè)計(jì)的功率逆變電路直流高壓供電采用大功率DC-DC直流變換電路，其輸出電壓采用PI調(diào)節(jié)控制，實(shí)際設(shè)計(jì)中，還可以引入多個(gè)控制參數(shù)來(lái)對(duì)電源輸出進(jìn)行綜合控制。

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4 MSK4225的外圍電路設(shè)計(jì)
    由于MSK4225的功率器件為MOSFET管，故其對(duì)于電壓波動(dòng)極其敏感。而在實(shí)際使用中，由于中頻電源負(fù)載經(jīng)常是感性負(fù)載，所以，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)非常重要，圖4所示是其外圍電路。

4．1 電源濾波
    為濾除干擾和提高電源的工作可靠性，實(shí)際電路中設(shè)計(jì)了必要的濾波電容。如圖4中的電源濾波電容C1、C2為2個(gè)2．2μF／100V的陶瓷表貼電容并聯(lián)，可用于濾除線路高頻干擾，其位置需靠近MSK4225／V+管腳；C3為470μF／100V電解電容，主要濾除低頻干擾，電容的位置也要靠近器件管腳；Vcc電源濾波電容C4為1μF／25V陶瓷表貼電容；C5為22μ／25V的電解電容。
4．2 保護(hù)電路
    電路中的D1～D4為MUR460快速恢復(fù)二極管，主要用于輸出保護(hù)，防止負(fù)載上產(chǎn)生的尖峰電壓損壞輸出功率管；D5是穩(wěn)壓值為68V的瞬態(tài)抑制二極管P6KE68A，用于吸收電源超過(guò)68V以上的浪涌電壓，以進(jìn)行電源過(guò)壓保護(hù)；D6是穩(wěn)壓值為9．1V的齊納二極管1N4740，用于提供輸入的管腳反壓以及過(guò)壓保護(hù)，特別是在閉環(huán)狀態(tài)下，電路開(kāi)始工作的瞬間，INPUT腳可能會(huì)出現(xiàn)-11V的負(fù)壓，從而造成器件損壞；R1為1kΩ電阻，可以防止輸入端電流過(guò)大。
4．3 輸出吸收電路
    輸出吸收電路由100Ω／2W的電阻Rn和1nF／200V的電容Cn串聯(lián)構(gòu)成，該電路用于減少輸出高次諧波，避免與負(fù)載電路發(fā)生諧振。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    電源整機(jī)組裝完成后，便可對(duì)電源的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。使用HP數(shù)字示波器，電源輸出有效值電壓為20V，縱坐標(biāo)每格為10V，橫坐標(biāo)每格為500μs時(shí)，其測(cè)試波形如圖5所示(見(jiàn)第11頁(yè))。圖中，由于PWM放大器的調(diào)制頻率較高，波形還原好，波形平滑，故用8903B音頻分析儀測(cè)定的輸出波形失真度都小于1％。另外，由于使用數(shù)字頻率合成技術(shù)，輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定，精度高。因此，通過(guò)加載測(cè)試顯示，負(fù)載特性好，電壓輸出波動(dòng)小，響應(yīng)速度較快。

6 結(jié)束語(yǔ)
    采用PWM放大器MSK4225設(shè)計(jì)的中頻電源，其設(shè)計(jì)方法先進(jìn)，集成度高，可以解決以前以小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的中頻電源控制電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy等突出問(wèn)題。另外，由于原來(lái)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)的三角波電路、PWM波電路、死區(qū)電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路和“H”橋功率變換電路都全部集成在MSK4225一個(gè)元件封裝內(nèi)，并且只需要單電源供電，故使得所設(shè)計(jì)電源的體積減小、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化以及電源的可靠性顯著提高。同時(shí)，由于調(diào)制頻率的提高，也使電源輸出品質(zhì)得到了相應(yīng)的改善。