PWM功率放大電路

1、PWM功率放大電路盧浩天LC夢創(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PWM 周期內(nèi)，電機電樞電壓正、負極性改變一次；單極性指 PWM功放管 工作時，有一個PWM信號端和一個方向控制端，在電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 時，僅有對應(yīng)的一對功放管通電，而另一對功放管截止。因此，電機 電樞在正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，正、負極性是固定的，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為負脈沖寬度。 電樞兩端的電流是一個脈動的連續(xù)電流，

2、 從圖可看出，電樞兩端的電 流是一個脈動的連續(xù)電流，加快PWM的切換頻率，電流的脈動就變 小，結(jié)果近似于直流信號的效果，使電機均勻旋轉(zhuǎn)。同時，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 了電機運行的平穩(wěn)性。如果脈沖頻率切換頻率選擇不當(dāng)，電機的低速 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PWM功率放大器時，要慎重選擇切換頻率。為了克服靜摩擦，改善運行特性，切換頻率應(yīng)能使電機軸產(chǎn)生微振，即

3、:5世式中，Kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，心二（ Cm為電機電磁常數(shù)、門為勵磁 磁通），Uc為功放電源，La為電樞電感，Ts為電機靜摩擦力矩。單極性PVM（b破極性旳衛(wèi)圖】：電機電樞社圧與電濟波形另外，選擇切換頻率具體還應(yīng)考慮以下幾個方面：（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為電機及負載的轉(zhuǎn)動慣量。（2）應(yīng)盡量減小電機內(nèi)產(chǎn)生的高頻功耗。PWM脈沖信號的諧波 分量將引起電機內(nèi)部的功耗，降低效率。為此切換頻率應(yīng)足夠高，使 電機電樞感抗大大超過電樞內(nèi)阻，即要求Ft旦2La式中，Ra是電機電樞電阻。(3 )應(yīng)當(dāng)遠遠大于

4、系統(tǒng)的固有頻率，防止系統(tǒng)固有振蕩。實際設(shè)計時應(yīng)綜合考慮上述條件，在 1000Hz至數(shù)萬Hz的范圍 內(nèi)選取PWM切換頻率。特別需要強調(diào)的是，由于伺服電機的電樞電 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)頻率總有一個限度，對大功率功放管來說，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格比。二、標準的PWM功率放大器圖2舉出了一個實際的標準雙極性 PWM功率放大器。它是一個 典型的H型功放，四個功放管分別采用 NPN型達林頓管TIP122和 PNP型達林頓管TIP127。PWM脈沖

5、信號通過光電耦合器件 4N35 加到晶體管的輸入端。4N35的作用是把控制電源與驅(qū)動電源隔離， 以免驅(qū)動器電源不穩(wěn)定影響整個控制系統(tǒng)；同時，4N35的輸出端還提供功放管的基極驅(qū)動電流。U14NS52：取換性PMhl功放電路152夢創(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，功放管Q2/Q3導(dǎo)通，Q1/Q4截止，電流從電機兩側(cè)的B點 流向A點，此時電機正轉(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。如果加上如圖3所示的信號，

6、 則構(gòu)成單極性功放電路。PWM信號由8051單片機的定時器產(chǎn)生， 由P1.0輸出。P1.1的高低電平代表電機的正反轉(zhuǎn)。四個功放管采用 MOS管。當(dāng)電機要求正轉(zhuǎn)時，單片機的P1.1輸出高電平信號，該信 號分為三路：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與開關(guān) 管Q3的柵極相連，其低電平信號也將使 Q3截止。類似地，電機要 求反轉(zhuǎn)時，單片機P1.1輸出低電平信號，各功放管的導(dǎo)通與截止與 電機正轉(zhuǎn)時正好相反

7、。雙極性PWM電路中，PWM1和PWM2兩路控制信號通常不是 嚴格對稱的，造成切換過程中有一個小的時間延遲 Tw，如圖4所示 Tw實際上是功率管的開關(guān)時間，考慮時間延遲的目的是為了防止 H 橋同側(cè)的功放管在開關(guān)切換時短路。LC夢創(chuàng)電于制作工作室OPXVM1波形LC夢創(chuàng)電子制作工作室I I KI II ILL_pm?彼形圖4； PVXI信號切換延時時序三、集成PWM功率放大器目前，針對中小功率的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， 然而集

8、成PWM功放器件的出 現(xiàn)，簡化了問題。下面以美國國家半導(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，專供直流電機或步進電機驅(qū)動，共有 15個引腳，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 兩個控制信號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應(yīng)的 DMOS管的導(dǎo)通情況。在表1中，MONO 為電流監(jiān)測信號，如不考慮它的影響，在BRAKE端加上PWM信號， 在DIRECTION端加上一個固定電平，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 電壓計算公式為：v_ = Ru 250 10 V。電壓比較器的“+”端電壓/的計算公式為: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，從而限制電機的電樞電流。CUT 1OUT!ccSGN&COMP OUTPGHODAC REFW1 M2 M3 W4Order NumbeLMD18245T See NS Pa