PWM功率放大电路

1、PWM功率放大电路卢浩天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，

2、 从图可看出，电枢两端的电 流是一个脉动的连续电流，加快PWM的切换频率，电流的脉动就变 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

3、:5世式中，Kt为转矩系数，心二（ Cm为电机电磁常数、门为励磁 磁通），Uc为功放电源，La为电枢电感，Ts为电机静摩擦力矩。单极性PVM（b破极性旳卫图】：电机电枢社圧与电济波形另外，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:KtUc192LAJ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Ft旦2La式中，Ra是电机电枢电阻。(3 )应当远远大于

4、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。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TIP127。PWM脉冲

5、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， 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。U14NS52：取换性PMhl功放电路152梦创电子制作二作室vccGND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，

6、 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

7、。双极性PWM电路中，PWM1和PWM2两路控制信号通常不是 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。LC梦创电于制作工作室OPXVM1波形LC梦创电子制作工作室I I KI II ILL_pm?彼形图4； PVXI信号切换延时时序三、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

8、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。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-：图5 : LMD18245外形和引脚图

9、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，则 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 CS OUT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/_。该 电压计算公式为：v_ = Ru 250 10 V。电压比较器的“+”端电压/的计算公式为:V VDACREFV。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，从而限制电机的电枢电流。CUT 1OUT!ccSGN&COMP OUTPGHODAC REFW1 M2 M3 W4Order NumbeLMD18245T See NS Pa