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用PWM放大器实现400Hz电源
摘要：介绍了美国ApexMicrotechnolgy公司生产的大功率PWM脉宽调制型放大器的基本工作原理及如何用它来设计400Hz/115V电源的具体方法，并给出它的设计电路图。关键词：PWM脉宽调制放大器；LC低通滤波器；SA08
高压大电流ＰＷＭ混合电路放大器的实用性已经吸引了许多习惯采用线性放大器的工程师。由于ＰＷＭ脉宽调制放大器的效率为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。
１ＰＷＭ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。
２ＳＡ０８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：
ＣＬＫＩＮ：外部振荡器输入脚；
ＣＬＫＯＵＴ：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ＣＬＫＩＮ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，可以实现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：低压电源，典型值为１５Ｖ；
Ｖｓ：功率电源，电压范围为１６Ｖ～５００Ｖ。
３ＳＡ０８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，以便实现四象限控制。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实现的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ＳＡ０８ＰＷＭ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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