PWM功率放大电路

1、卢浩天LC梦创电子制作工作室一、PWM功率放大原理PWM功放电路有单极性和双极性之分。双极性指在一个 PWM周期内，电机电枢电压正、负极性改变一次；单极性指 PWM功放管工作时，有一个PWM信号端和一个方向控制端，在电机正转或反转时，仅有对应的一对功放管通电，而另一对功放管截止。因此，电机电枢在正转或反转时，正、负极性是固定的，即是单极性的。若忽略晶体管的管压降，可以认为 PWM功率放大管的输出电平等于电源电压,即|Uab|=Uc。图1描绘了电枢的电压波形和电流波形。在图中,T为PWM脉冲周期，Tp为正脉冲宽度，Th为负脉冲宽度。电枢两端的电流是一个脉动的连续电流,图可看出，电枢两端的电流是一

2、个脉动的连续电流，加快 PWM的切换频率,的脉动就变小，结果近似于直流信号的效果，使电机均匀旋转。同时，如果改变PWM的脉冲的宽度，电枢中的平均电流也将变化，电机的转速便将随之改变，这就是PWM调速的原理。在图中，PWM脉冲频率决定了电枢电流的连续性，从而也决定了电机运行的平稳性。如果脉冲频率切换频率选择不当，电机的低速性能有可能不理想，容易烧坏晶体管，而且由于电流不连续，电机有可能产生剧烈震荡，甚至出现啸叫现象，这些都是不允许的。因此，在设计 PWM功率放大器时，要慎重选择切换频率。为了克服静摩擦，改善运行特性，切换频率应能使电机轴产生微振，即:式中，Kt为转矩系数,Kt Cm （ Cm为电

3、机电磁常数、为励磁磁通），Uc为功放电源，La为电枢电感，Ts为电机静摩擦力矩。另外，选择切换频率具体还应考虑以下几个方面：1）微振的最大角位移应小于允许的位置误差。在伺服系统中，假设要求位置误差小于 ，则要求切换频率满足下式： 式中， J 为电机及负载的转动惯量。2）应尽量减小电机内产生的高频功耗。 PWM 脉冲信号的谐波分量将引起电机内部的功耗，降低效率。为此切换频率应足够高，使电机电枢感抗大大超过电枢内 阻，即要求式中， RA 是电机电枢电阻。3）应当远远大于系统的固有频率，防止系统固有振荡。实际设计时应综合考虑上述条件，在 1000Hz 至数万 Hz 的范围内选取 PWM 切 换频率。

4、特别需要强调的是，由于伺服电机的电枢电感较小，如果频率不够高，交 流分量过大，很容易烧毁功放管。不过功放管的开关频率总有一个限度，对大功率 功放管来说，开关频率越高，制造工艺难度越大，成本也越高。因此，用户要根据 自己的实际需要确定有关参数，使自己构建的功率放大器有较高的性能价格比。二、标准的 PWM 功率放大器图 2 举出了一个实际的标准双极性 PWM 功率放大器。它是一个典型的 H 型功 放，四个功放管分别采用NPN型达林顿管TIP122和PNP型达林顿管TIP 127 °PWM脉冲信号通过光电耦合器件 4N35 加到晶体管的输入端。 4N35 的作用是把控制电源 与驱动电源隔离

5、， 以免驱动器电源不稳定影响整个控制系统； 同时， 4N35 的输出端 还提供功放管的基极驱动电流。系统的工作过程如下： 当 PWM1 端变为低电平且 PWM2 端为高电平时， 功放管Q2/Q3导通，Q1/Q4截止，电流从电机两侧的 B点流向A点，此时电机正转；反之，反转。二极管 D1 、D2、D3、D4 是续流二极管， 在晶体管切换时提供电流通路， 并联在二极管两端的电阻和电容也起续流作用。PwM1 和 PwM2 是两路控制信号。 如果加上如图 3 所示的信号， 则构成单极性 功放电路。 PWM 信号由 8051 单片机的定时器产生，由 P1.0 输出。 P1.1 的高低电 平代表电机的正反

6、转。 四个功放管采用 MOS 管。当电机要求正转时， 单片机的 P1.1输出高电平信号，该信号分为三路：第一路接与门 Y1 的输入端，使与门 Y1 的输出 由 PWM 决定，所以开关管 Q1 栅极受 PWM 控制；第二路直接与开关管 Q4 相连 使 Q4 导通；第三路经非门连接到与门 Y2 的输入端，使与门 Y2 的输出为 0 ，结果 开关管 Q2 截止。从非门输出的另一路信号与开关管 Q3 的栅极相连， 其低电平信号 也将使 Q3 截止。类似地，电机要求反转时，单片机 P1.1 输出低电平信号，各功放 管的导通与截止与电机正转时正好相反。双极性 PwM 电路中， PwM1 和 PwM2 两路

7、控制信号通常不是严格对称的， 造成切换过程中有一个小的时间延迟Tw，如图4所示。Tw实际上是功率管的开关时间,考虑时间延迟的目的是为了防止H 桥同侧的功放管在开关切换时短路。三、集成 PwM 功率放大器目前，针对中小功率的 PwM功放电路已经有现成的集成分立器件出售，由于所有的 PwM 功能集成在一块芯片上，使得这些集成分立器件可靠性高，性能好，使 用方便。对于初学者而言，调定功放电路元器件各种参数既麻烦又需要经验，然而 集成 PwM 功放器件的出现，简化了问题。下面以美国国家半导体公司的 LMD18245为例来说一下。LMD18245 是采用 DMOS 工艺的 H 桥 PwM 集成功放电路芯

8、片， 专供直流电机 或步进电机驱动，共有 15 个引脚， T-220 封装。图 5 是该芯片的外形和引脚图。电 源电压范围为 12 55V ，额定电流 3A ，峰值电流 6A。图 5：LMD18245 外形和引脚图6是LMD18245 的内部结构图。BRAKE和DIRECTION两个控制信号的组合 决定芯片工作于单极性 PwM 还是双极性 PwM 。表 1 描述了这两种组合对应的DMOS管的导通情况。在表1中，MONO为电流监测信号，如不考虑它的影响,在BRAKE端加上PWM 信号，在DIRECTION端加上一个固定电平，贝J LMD18245工作在单极性PWM方式；反之，如果在BRAKE端加上低电平，在 DIRECTION端加上PWM脉冲，则LMD18245工作在双极性平PWM方式。从图6的内部结构 来看，该芯片内部带有电流反馈控制电路，为保证电流反馈电路正常工作，必须在CSOUT端接一个电流取样电阻到地，该电阻值 R决定了电压比较器(COMPAPATOR) “-”端电压值V。该电压计算公式为：V R 250 10 6V。电压比较器的“ +”端电压V的计算公式为:V Vdacref 16V。式中Vdacref是参考电压，D是0 15的常数由M1 M4决定。 用户可以根据需要来设置 M1 M4的大小，从而限制电机的电