基于MSK4225的中频电源设计和实现

摘要：介绍了PWM调制放大器MSK4225的基本原理和内部结构。并以其为核心，结合单片机和DDS芯片，给出了一种高精度、高效率的PWM调制可变频中频电源的硬件电路，同时对PWM调制放大器MSK4225在中频电源中的使用进行了详细介绍。
关键词：PWM调制放大器；正弦波；直接数字频率合成(DDS)；MSK4225

0 引言
    中频电源是广泛应用于国防和工业领域的一种电能转换设备，它主要是将50Hz交流市电转换成频率为400～1000Hz和特殊电压的供电电源，以供给同步电机、陀螺等特种设备使用。
    中频电源按其功率变换形式可分为旋转电机、线性放大和PWM调制三种。在早期的中频电源中，旋转电机是最为常用的一种，但由于其体积大、噪音大、设备笨重、输出波形差等原因已经被逐渐淘汰，在新的电源设备中很难看到它的踪影；采用大电流高电压运算放大器也是中频逆变电源的一种功率变换形式，该形式的优点是波形好，电磁兼容性好，但这种方法效率低，只适合于功率较小的情况；另外就是采用PWM调制形式的中频电源，这是现在最常用的一种中频电源，这种方式可使逆变电源技术与现代数字控制技术有效结合，并可通过DDS频率合成技术或DSP控制使电源实现全数字化，它一般采用IGBT或MOSFET作为功率器件，因而具有功率大、效率高等优点，但PWM调制电路和IGBT驱动电路比较复杂，且IGBT的开关频率有限，当输出信号频率达到1kHz以上时，对于开关频率只有20kHz左右的IGBT，其输出波形的失真度比较大。
    PWM放大器是一种高效率的功率放大器件，几年来已被大量应用(例如美国M．S．Kennedy公司的MSK4225)。这种放大器将PWM调制电路、MOSFET驱动电路和“H”桥功率逆变电路集成在一个封装内，同时还集成有一定的保护功能。PWM调制放大器通常用于音频功率放大、直流电机调速等场合。这种功率放大器具有集成度高、效率高、可靠性高、外围电路简单等优点。由于MOSFET工作频率高，所以可以较好地还原输入波形。这样，如将正弦信号输入PWM放大器，就可以得到一种高效率、高精度的正弦波逆变电源。本文讨论的就是基于MSK4225设计的一种中频逆变电源。

1 PWM放大器的基本原理
    PWM放大器即脉宽调制放大器，这是根据PWM脉宽调制原理发展起来的一种高效放大器，现在已经广泛应用于直流电机调速，大功率音频放大等。PWM脉宽调制原理是由能量等效原理发展起来的一种调制法，假如调制波形为正弦波，为了得到近似的正弦波的脉宽调制波形，通常可将正弦波的一个周期在时间上划分成N等份(N是偶数)，每一等份的脉宽为2π／N。而在每个特定的时间间隔中，则可以用一个脉冲幅度都等于U△m的矩形电压脉冲来分别代替相应的正弦波部分，其脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例。这样的N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。假设正弦波的幅值为，等效矩形波的幅值为U△m，则各等效矩形脉冲波的宽度δi为：
   
    式中，是各时间间隔分段的中心角，也就是各等效脉冲的位置中心角。该公式表明：由能量等效法得出的等效脉冲宽度δi与分段中心角βi的正弦值成正比。
    图1所示是一个PWM调制电路及其波形图。在实际的逆变器中，常用比较器组成的脉宽调制电路来产生上述脉宽调制波。若将三角波脉冲送到比较器的反相端(-)，三角波频率就是载波频率，而将调制波送到比较器的同相端(+)，则在比较器输出端将得到一串矩形方波脉冲序列。

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2 PWM放大器MSK4225
    MSK4225内部结构如图2所示。该放大器主要由3个部分组成，分别是45kHz PWM调制电路、“H”驱动电路和“H”桥功率变换电路。而PWM调制电路则由三角波电路、比较电路、死区保护电路等组成：驱动电路由隔离电路、电平转换电路、驱动电路组成。这些电路如果使用小规模集成电路设计，使用器件比较多，而且调试复杂，产品一致性控制困难。而MSK4225将这些电路集成在一个封装内，并采用冷底板设计，使系统的功能设计、散热设计和机械结构设计相对比较简单，而且由于免去了高频信号线的布线，因而也减少了系统的高频干扰，提高了系统的工作可靠性和电源品质。

    MSK4225的控制部分采用+12V单电源供电，并设计有一个高电平使能端“HEN”和一个低电平使能端“DIS”，而且使能端控制与TTL电平兼容。信号输入“INPUT”设计为6V±2V，即6V为信号“零”，这时，输出OUTA和OUTB之间的输出信号经过滤波后，其电压为0V；而信号输入在4V和8V时，其输出为最大值。
    由于MSK4225的功率变换采用“H”桥变换，并在器件散热底板上集成了4个大功率MOSFET管，故使功率器件具有良好的散热性能。MSK42-25的最大工作电压为75V，工作电流为20A，其“RSENSEA”和“RSENSEB”端通过采样电阻接地，因而可以对放大器的功率部分提供电流保护。

3 中频电源的总体结构设计
    以MSK4225为核心的逆变电源设计中，可采用DDS芯片AD7008作为正弦信号源，AVR单片机Atmega64作为控制芯片，并附加少量外围控制保护电路。
    该中频电源主要由控制电路、正弦信号电路、功率逆变电路和DC-DC直流变换电路等组成。其电源结构框图如图3所示。

    图3所示电路中的AVR单片机ATmega64是电源的控制中枢，主要功能是通过传感器测量电源输出的电压、电流和频率，完成面板各种测量值的显示，面板设置按键的处理，通过D／A芯片设定电源的输出电压，控制AD7008输出正弦信号的频率和完成电源保护和输出控制等。
    正弦信号电路以DDS芯片AD7008为核心，并采用直接数字频率合成技术的数控信号源。它的主要优点是频率精度高，波形失真小，故可很好地解决原来模拟LC振荡器频率不稳的问题，可在较大的频率范围内输出高精度正弦波。AD7008产生的正弦信号经过变换滤波后，可形成以6V为中心幅，峰峰值约为3V的正弦信号。经过功率变换电路MSK4225将其放大为PWM波信号，再经LC滤波，就可得到有效值在20V左右的正弦信号。本设计的功率逆变电路直流高压供电采用大功率DC-DC直流变换电路，其输出电压采用PI调节控制，实际设计中，还可以引入多个控制参数来对电源输出进行综合控制。

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4 MSK4225的外围电路设计
    由于MSK4225的功率器件为MOSFET管，故其对于电压波动极其敏感。而在实际使用中，由于中频电源负载经常是感性负载，所以，保护电路的设计非常重要，图4所示是其外围电路。

4．1 电源滤波
    为滤除干扰和提高电源的工作可靠性，实际电路中设计了必要的滤波电容。如图4中的电源滤波电容C1、C2为2个2．2μF／100V的陶瓷表贴电容并联，可用于滤除线路高频干扰，其位置需靠近MSK4225／V+管脚；C3为470μF／100V电解电容，主要滤除低频干扰，电容的位置也要靠近器件管脚；Vcc电源滤波电容C4为1μF／25V陶瓷表贴电容；C5为22μ／25V的电解电容。
4．2 保护电路
    电路中的D1～D4为MUR460快速恢复二极管，主要用于输出保护，防止负载上产生的尖峰电压损坏输出功率管；D5是稳压值为68V的瞬态抑制二极管P6KE68A，用于吸收电源超过68V以上的浪涌电压，以进行电源过压保护；D6是稳压值为9．1V的齐纳二极管1N4740，用于提供输入的管脚反压以及过压保护，特别是在闭环状态下，电路开始工作的瞬间，INPUT脚可能会出现-11V的负压，从而造成器件损坏；R1为1kΩ电阻，可以防止输入端电流过大。
4．3 输出吸收电路
    输出吸收电路由100Ω／2W的电阻Rn和1nF／200V的电容Cn串联构成，该电路用于减少输出高次谐波，避免与负载电路发生谐振。

5 实验结果分析
    电源整机组装完成后，便可对电源的各项指标进行测试。使用HP数字示波器，电源输出有效值电压为20V，纵坐标每格为10V，横坐标每格为500μs时，其测试波形如图5所示(见第11页)。图中，由于PWM放大器的调制频率较高，波形还原好，波形平滑，故用8903B音频分析仪测定的输出波形失真度都小于1％。另外，由于使用数字频率合成技术，输出信号频率稳定，精度高。因此，通过加载测试显示，负载特性好，电压输出波动小，响应速度较快。

6 结束语
    采用PWM放大器MSK4225设计的中频电源，其设计方法先进，集成度高，可以解决以前以小规模集成电路设计的中频电源控制电路复杂，调试困难等突出问题。另外，由于原来需要单独设计的三角波电路、PWM波电路、死区电路、隔离驱动电路和“H”桥功率变换电路都全部集成在MSK4225一个元件封装内，并且只需要单电源供电，故使得所设计电源的体积减小、电路设计简化以及电源的可靠性显著提高。同时，由于调制频率的提高，也使电源输出品质得到了相应的改善。