基于MSK4225的中頻電源設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了PWM調(diào)制放大器MSK4225的基本原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。并以其為核心，結(jié)合單片機(jī)和DDS芯片，給出了一種高精度、高效率的PWM調(diào)制可變頻中頻電源的硬件電路，同時對PWM調(diào)制放大器MSK4225在中頻電源中的使用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵詞：PWM調(diào)制放大器；正弦波；直接數(shù)字頻率合成(DDS)；MSK4225

0 引言
中頻電源是廣泛應(yīng)用于國防和工業(yè)領(lǐng)域的一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，它主要是將50Hz交流市電轉(zhuǎn)換成頻率為400～1000Hz和特殊電壓的供電電源，以供給同步電機(jī)、陀螺等特種設(shè)備使用。
中頻電源按其功率變換形式可分為旋轉(zhuǎn)電機(jī)、線性放大和PWM調(diào)制三種。在早期的中頻電源中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)是最為常用的一種，但由于其體積大、噪音大、設(shè)備笨重、輸出波形差等原因已經(jīng)被逐漸淘汰，在新的電源設(shè)備中很難看到它的蹤影；采用大電流高電壓運(yùn)算放大器也是中頻逆變電源的一種功率變換形式，該形式的優(yōu)點(diǎn)是波形好，電磁兼容性好，但這種方法效率低，只適合于功率較小的情況；另外就是采用PWM調(diào)制形式的中頻電源，這是現(xiàn)在最常用的一種中頻電源，這種方式可使逆變電源技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有效結(jié)合，并可通過DDS頻率合成技術(shù)或DSP控制使電源實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，它一般采用IGBT或MOSFET作為功率器件，因而具有功率大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但PWM調(diào)制電路和IGBT驅(qū)動電路比較復(fù)雜，且IGBT的開關(guān)頻率有限，當(dāng)輸出信號頻率達(dá)到1kHz以上時，對于開關(guān)頻率只有20kHz左右的IGBT，其輸出波形的失真度比較大。
PWM放大器是一種高效率的功率放大器件，幾年來已被大量應(yīng)用(例如美國M．S．Kennedy公司的MSK4225)。這種放大器將PWM調(diào)制電路、MOSFET驅(qū)動電路和“H”橋功率逆變電路集成在一個封裝內(nèi)，同時還集成有一定的保護(hù)功能。PWM調(diào)制放大器通常用于音頻功率放大、直流電機(jī)調(diào)速等場合。這種功率放大器具有集成度高、效率高、可靠性高、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。由于MOSFET工作頻率高，所以可以較好地還原輸入波形。這樣，如將正弦信號輸入PWM放大器，就可以得到一種高效率、高精度的正弦波逆變電源。本文討論的就是基于MSK4225設(shè)計(jì)的一種中頻逆變電源。

1 PWM放大器的基本原理
PWM放大器即脈寬調(diào)制放大器，這是根據(jù)PWM脈寬調(diào)制原理發(fā)展起來的一種高效放大器，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速，大功率音頻放大等。PWM脈寬調(diào)制原理是由能量等效原理發(fā)展起來的一種調(diào)制法，假如調(diào)制波形為正弦波，為了得到近似的正弦波的脈寬調(diào)制波形，通?？蓪⒄也ǖ囊粋€周期在時間上劃分成N等份(N是偶數(shù))，每一等份的脈寬為2π／N。而在每個特定的時間間隔中，則可以用一個脈沖幅度都等于U△m的矩形電壓脈沖來分別代替相應(yīng)的正弦波部分，其脈寬與其對應(yīng)的正弦波所包含的面積相等或成比例。這樣的N個寬度不等的脈沖就組成了一個與正弦波等效的脈寬調(diào)制波形。假設(shè)正弦波的幅值為，等效矩形波的幅值為U△m，則各等效矩形脈沖波的寬度δi為：

式中，是各時間間隔分段的中心角，也就是各等效脈沖的位置中心角。該公式表明：由能量等效法得出的等效脈沖寬度δi與分段中心角βi的正弦值成正比。
圖1所示是一個PWM調(diào)制電路及其波形圖。在實(shí)際的逆變器中，常用比較器組成的脈寬調(diào)制電路來產(chǎn)生上述脈寬調(diào)制波。若將三角波脈沖送到比較器的反相端(-)，三角波頻率就是載波頻率，而將調(diào)制波送到比較器的同相端(+)，則在比較器輸出端將得到一串矩形方波脈沖序列。