基于MSK4225的中頻電源設計和實(shí)現

摘要：介紹了PWM調制放大器MSK4225的基本原理和內部結構。并以其為核心，結合單片機和DDS芯片，給出了一種高精度、高效率的PWM調制可變頻中頻電源的硬件電路，同時(shí)對PWM調制放大器MSK4225在中頻電源中的使用進(jìn)行了詳細介紹。
關(guān)鍵詞：PWM調制放大器；正弦波；直接數字頻率合成(DDS)；MSK4225

0 引言
中頻電源是廣泛應用于國防和工業(yè)領(lǐng)域的一種電能轉換設備，它主要是將50Hz交流市電轉換成頻率為400～1000Hz和特殊電壓的供電電源，以供給同步電機、陀螺等特種設備使用。
中頻電源按其功率變換形式可分為旋轉電機、線(xiàn)性放大和PWM調制三種。在早期的中頻電源中，旋轉電機是最為常用的一種，但由于其體積大、噪音大、設備笨重、輸出波形差等原因已經(jīng)被逐漸淘汰，在新的電源設備中很難看到它的蹤影；采用大電流高電壓運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調制形式的中頻電源，這是現在最常用的一種中頻電源，這種方式可使逆變電源技術(shù)與現代數字控制技術(shù)有效結合，并可通過(guò)DDS頻率合成技術(shù)或DSP控制使電源實(shí)現全數字化，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調制電路和IGBT驅動(dòng)電路比較復雜，且IGBT的開(kāi)關(guān)頻率有限，當輸出信號頻率達到1kHz以上時(shí)，對于開(kāi)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(lái)已被大量應用(例如美國M．S．Kennedy公司的MSK4225)。這種放大器將PWM調制電路、MOSFET驅動(dòng)電路和“H”橋功率逆變電路集成在一個(gè)封裝內，同時(shí)還集成有一定的保護功能。PWM調制放大器通常用于音頻功率放大、直流電機調速等場(chǎng)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(jiǎn)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設計的一種中頻逆變電源。

1 PWM放大器的基本原理
PWM放大器即脈寬調制放大器，這是根據PWM脈寬調制原理發(fā)展起來(lái)的一種高效放大器，現在已經(jīng)廣泛應用于直流電機調速，大功率音頻放大等。PWM脈寬調制原理是由能量等效原理發(fā)展起來(lái)的一種調制法，假如調制波形為正弦波，為了得到近似的正弦波的脈寬調制波形，通?？蓪⒄也ǖ囊粋€(gè)周期在時(shí)間上劃分成N等份(N是偶數)，每一等份的脈寬為2π／N。而在每個(gè)特定的時(shí)間間隔中，則可以用一個(gè)脈沖幅度都等于U△m的矩形電壓脈沖來(lái)分別代替相應的正弦波部分，其脈寬與其對應的正弦波所包含的面積相等或成比例。這樣的N個(gè)寬度不等的脈沖就組成了一個(gè)與正弦波等效的脈寬調制波形。假設正弦波的幅值為，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(shí)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(gè)PWM調制電路及其波形圖。在實(shí)際的逆變器中，常用比較器組成的脈寬調制電路來(lái)產(chǎn)生上述脈寬調制波。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。