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用PWM放大器實現400Hz電源
摘要：介紹了美國Apex Microtechnolgy公司生產的大功率PWM脈寬調制型放大器的基本工作原理及如何用它來設計400Hz/115V電源的具體方法，并給出它的設計電路圖。高壓大電流ＰＷＭ混合電路放大器的實用性已經吸引了許多習慣采用線性放大器的工程師。由于ＰＷＭ脈寬調制放大器的效率為７０％到９７％，因而有效降低了放大器的內部功耗，減小了散熱器及整個系統的尺寸，同時，采用混合電路放大器也提高了整個系統的可靠性和易操作性。
１ ＰＷＭ脈寬調制放大器工作原理
圖１顯示了一個基本的ＰＷＭ放大器模型,Ｖｉｎ是一個模擬ＤＣ輸入，Ａｏｕｔ是一個占空比可調的脈沖串，Ｂｏｕｔ是一個同Ａｏｕｔ反相的脈沖串，ＰＷＭ振蕩器決定著脈沖串的頻率。實際上，Ａｐｅｘ的有些放大器也允許輸入外部振蕩器信號。當輸入信號從小到大變化時，Ａｏｕｔ的占空比將從０到１００％變化，Ｂｏｕｔ則從１００％到０變化，Ａｏｕｔ－Ｂｏｕｔ是一個同Ａｏｕｔ相位相同的脈沖串，但幅度是Ｖｓｐ－ｐ的２倍。
如果在Ａｏｕｔ和Ｂｏｕｔ之間接一個直流有刷電機，那么，就可以通過輸入信號控制電機的轉速。若將輸入信號設置為輸入電壓范圍的中間電壓，則在Ａｏｕｔ和Ｂｏｕｔ上會產生５０％占空比的脈沖串，此時電機將靜止不動。當Ｖｉｎ達到最大值時，電機將以最高轉速旋轉，當Ｖｉｎ達到最小值時，電機將按反方向以最高轉速旋轉。設計時，可以直接將電機連到Ａｏｕｔ和Ｂｏｕｔ上，因為電機繞阻的電感會將脈沖電壓轉換成直流紋波電流。這樣，它的幅度便可用來控制電機的轉速，并用極性控制電機的旋轉方向，圖１中的 ＬＣ濾波器可用于ＰＷＭ脈沖的濾波，以確保在負載上獲得一個模擬信號。
２ ＳＡ０８放大器的引腳功能
圖２是ＳＡ０８的外形圖和引腳排列，各引腳的主要功能如下：
ＣＬＫ ＩＮ：外部振蕩器輸入腳；
ＣＬＫ ＯＵＴ：內部振蕩器輸出腳，其輸出頻率為４２ｋＨｚ；
＋ＰＷＭ：內部比較器的同相端；
－ＰＷＭ／ＲＡＭＰ：內部比較器反相端。ＳＡ０８放大器可在內部把ＣＬＫ ＩＮ輸入振蕩器的方波頻率進行二分頻，然后通過ＲＣ網絡輸入到ＰＷＭ／ＲＡＭＰ管腳；
ＧＮＤ：信號地；
ＩＬＩＭ／ＳＨＤＮ：關斷管腳，可以實現限流及外部關斷兩種功能；
ＩＳＥＮＳＥＡ／ＩＳＥＮＳＥＢ：電流采樣管腳；
ＡＯＵＴ／ＢＯＵＴ：放大器的兩個輸出管腳；
Ｖｃｃ：低壓電源，典型值為１５Ｖ；
Ｖｓ：功率電源，電壓范圍為１６Ｖ～５００Ｖ。
３ ＳＡ０８的結構原理
ＳＡ０８脈寬調制放大器的工作電源最高可達５００Ｖ，連續工作電流最大為２０Ａ?峰值電流為２８Ａ。４２ｋＨｚ的內部振蕩器頻率二分頻后可作為內部大功率ＩＧＢＴ管的開關頻率。在每個半橋下面都有一個電流采樣管腳，可以采樣電流的大小和方向，以便實現四象限控制。器件在ＳＨＤＮ管腳上輸入一個高電平信號可以關斷Ｈ橋的四個輸出ＩＧＢＴ管。同時，ＳＡ０８內部還具有過流和過熱保護功能。由于ＳＡ０８采用１２管腳３平方英寸的ＭＯ－１２７密封金屬殼封裝，且管殼同內部電路電隔離，因此可以很方便地直接安裝散熱器。圖３所示是ＳＡ０８的內部結構原理圖。
４ 基于ＳＡ０８的４００Ｈｚ／１１５Ｖ電源電路
圖４是用ＳＡ０８實現的４００Ｈｚ／１１５Ｖ電源電路。對２２０ＶＡＣ交流電源進行全橋整流和濾波便可為ＳＡ０８提供電源。在ＳＡ０８的輸出直接取電壓反饋，然后通過有源濾波差分放大器濾掉ＳＡ０８的開關頻率，再把４００Ｈｚ輸入信號源同濾波后的反饋電壓進行比較，就可以校正系統誤差。最后，把ＳＡ０８的輸出通過ＬＣ低通濾波器對開關頻率進行衰減，電路便可以提�。矗埃埃龋盘柌⑤敵龅截撦d上。
在圖４電路中，Ｘ６是一個全橋整流器，在相同的濾波電容下，采用全橋整流比采用半橋整流更能充分地降低輸出電壓紋波。而選擇ＳＡ０８是因為它的電源電壓和電流可以分別達到５００Ｖ和２０Ａ。
由于ＳＡ０８的輸出為ＰＷＭ信號，所以輸出必須采用低通濾波器以解調４００Ｈｚ信號。
電路中的Ｌ１,Ｌ２,Ｃ２,Ｃ３組成了一個兩階的巴特沃夫低通濾波器。對于一個２０Ω的負載，該濾波器具有最大的通頻帶平坦度，其截止頻率為２ｋＨｚ，幾乎為ＳＡ０８開關頻率的十分之一。當負載變化時，該截止頻率不會發生變化，但會影響Ｑ系數。為了獲得更小的輸出紋波電壓及噪聲，也可以降低ＬＣ濾波器的截止頻率。
２ｋＨｚ有源濾波器同Ｘ４可組成電壓反饋通道，因為該通道傳輸的僅僅是電壓反饋小信號，而不是功率信號，所以，采用有源濾波器設計時同樣要選擇其截止頻率為２ｋＨｚ。
運算放大器Ｘ３以及它周圍元件的作用有兩個：其一是作為一個差分運算放大器反饋輸出采樣電壓。其二是作為一個有源低通濾波器將輸出采樣電壓從ＰＷＭ信號中解調出來。需要注意的是，在設計電路時，必須確認反饋電壓的極性以確保其為負反饋。
圖4
輸出快恢復二極管Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ７的作用是保證ＳＡ０８在驅動感性負載時，不會被負載的反饋能量所損壞。通常要求恢復時間至少小于１００ｎｓ，它的反向耐壓必須大于或等于電源電壓。Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７主要用于防
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