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||=。图1描绘了电枢的电压波形和电流波形。在图中，为PWM脉冲周期，为正脉冲宽度，为负脉冲宽度。电枢两端的电流是一个脉动的连续电流，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：

式中，为转矩系数，（为电机电磁常数、为励磁磁通），为功放电源，为电枢电感，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，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，是电机电枢电阻。

（万向车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。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。

2、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截瘫行走器型达林顿管TIP127。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，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、vobuD2、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，如图4所示。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，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。电压比较器的“+”端电压的计算公式为：

V。式中是参考电压，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。

图6：LMD18245内部结构原理图

表1地籍测量中MONO表示单稳态触发器的状态，若电机电枢超过用户设定值，MONO变为低电平；正常工作时，MONO为高电平。

公交车线路牌