基于MSK4225的中頻電源設(shè)計和實現(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，同時對PWM調(diào)制放大器MSK4225在中頻電源中的使用進行了詳細介紹。
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、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、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DDS頻率合成技術(shù)或DSP控制使電源實現(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，但PWM調(diào)制電路和IGBT驅(qū)動電路比較復雜，且IGBT的開關(guān)頻率有限，當輸出信號頻率達到1kHz以上時，對于開關(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，幾年來已被大量應(yīng)用(例如美國M．S．Kennedy公司的MSK4225)。這種放大器將PWM調(diào)制電路、MOSFET驅(qū)動電路和“H”橋功率逆變電路集成在一個封裝內(nèi)，同時還集成有一定的保護功能。PWM調(diào)制放大器通常用于音頻功率放大、直流電機調(diào)速等場合。這種功率放大器具有集成度高、效率高、可靠性高、外圍電路簡單等優(yōu)點。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)展起來的一種高效放大器，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于直流電機調(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€周期在時間上劃分成N等份(N是偶數(shù))，每一等份的脈寬為2π／N。而在每個特定的時間間隔中，則可以用一個脈沖幅度都等于U△m的矩形電壓脈沖來分別代替相應(yīng)的正弦波部分，其脈寬與其對應(yīng)的正弦波所包含的面積相等或成比例。這樣的N個寬度不等的脈沖就組成了一個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PWM調(diào)制電路及其波形圖。在實際的逆變器中，常用比較器組成的脈寬調(diào)制電路來產(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個部分組成，分別是45kHz PWM調(diào)制電路、“H”驅(qū)動電路和“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)保護電路等組成：驅(qū)動電路由隔離電路、電平轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路組成。這些電路如果使用小規(guī)模集成電路設(shè)計，使用器件比較多，而且調(diào)試復雜，產(chǎn)品一致性控制困難。而MSK4225將這些電路集成在一個封裝內(nèi)，并采用冷底板設(shè)計，使系統(tǒng)的功能設(shè)計、散熱設(shè)計和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計相對比較簡單，而且由于免去了高頻信號線的布線，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)計有一個高電平使能端“HEN”和一個低電平使能端“DIS”，而且使能端控制與TTL電平兼容。信號輸入“INPUT”設(shè)計為6V±2V，即6V為信號“零”，這時，輸出OUTA和OUTB之間的輸出信號經(jīng)過濾波后，其電壓為0V；而信號輸入在4V和8V時，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”端通過采樣電阻接地，因而可以對放大器的功率部分提供電流保護。

3 中頻電源的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    以MSK4225為核心的逆變電源設(shè)計中，可采用DDS芯片AD7008作為正弦信號源，AVR單片機Atmega64作為控制芯片，并附加少量外圍控制保護電路。
    該中頻電源主要由控制電路、正弦信號電路、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ATmega64是電源的控制中樞，主要功能是通過傳感器測量電源輸出的電壓、電流和頻率，完成面板各種測量值的顯示，面板設(shè)置按鍵的處理，通過D／A芯片設(shè)定電源的輸出電壓，控制AD7008輸出正弦信號的頻率和完成電源保護和輸出控制等。
    正弦信號電路以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)控信號源。它的主要優(yōu)點是頻率精度高，波形失真小，故可很好地解決原來模擬LC振蕩器頻率不穩(wěn)的問題，可在較大的頻率范圍內(nèi)輸出高精度正弦波。AD7008產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)過變換濾波后，可形成以6V為中心幅，峰峰值約為3V的正弦信號。經(jīng)過功率變換電路MSK4225將其放大為PWM波信號，再經(jīng)LC濾波，就可得到有效值在20V左右的正弦信號。本設(shè)計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，實際設(shè)計中，還可以引入多個控制參數(shù)來對電源輸出進行綜合控制。

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4 MSK4225的外圍電路設(shè)計
    由于MSK4225的功率器件為MOSFET管，故其對于電壓波動極其敏感。而在實際使用中，由于中頻電源負載經(jīng)常是感性負載，所以，保護電路的設(shè)計非常重要，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，實際電路中設(shè)計了必要的濾波電容。如圖4中的電源濾波電容C1、C2為2個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 保護電路
    電路中的D1～D4為MUR460快速恢復二極管，主要用于輸出保護，防止負載上產(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68V以上的浪涌電壓，以進行電源過壓保護；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壓保護，特別是在閉環(huán)狀態(tài)下，電路開始工作的瞬間，INPUT腳可能會出現(xiàn)-11V的負壓，從而造成器件損壞；R1為1kΩ電阻，可以防止輸入端電流過大。
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，避免與負載電路發(fā)生諧振。

5 實驗結(jié)果分析
    電源整機組裝完成后，便可對電源的各項指標進行測試。使用HP數(shù)字示波器，電源輸出有效值電壓為20V，縱坐標每格為10V，橫坐標每格為500μs時，其測試波形如圖5所示(見第11頁)。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)，輸出信號頻率穩(wěn)定，精度高。因此，通過加載測試顯示，負載特性好，電壓輸出波動小，響應(yīng)速度較快。

6 結(jié)束語
    采用PWM放大器MSK4225設(shè)計的中頻電源，其設(shè)計方法先進，集成度高，可以解決以前以小規(guī)模集成電路設(shè)計的中頻電源控制電路復雜，調(diào)試困難等突出問題。另外，由于原來需要單獨設(shè)計的三角波電路、PWM波電路、死區(qū)電路、隔離驅(qū)動電路和“H”橋功率變換電路都全部集成在MSK4225一個元件封裝內(nèi)，并且只需要單電源供電，故使得所設(shè)計電源的體積減小、電路設(shè)計簡化以及電源的可靠性顯著提高。同時，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。