基于STC12C5A60S2的電流型PWM功率放大器設(shè)計

摘 要： 以STC12C5A60S2高性能單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計一種單自由度電流型PWM功率放大器，具有集成度高、體積小和成本優(yōu)勢?；魻栯娏鱾鞲衅魍瓿呻娏餍盘柕诫妷盒盘栟D(zhuǎn)換，單片機(jī)內(nèi)部2路10位精度A/D分別采樣控制信號和測量信號。離散PI控制器對8位精度PWM模塊進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)，控制電流上升和下降速度。采用Simulink對比仿真了三電平控制策略，測試結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)相一致，反映出功率放大器的靜態(tài)電流精度高、紋波小，動態(tài)響應(yīng)速度可以滿足實際應(yīng)用。從而得出控制策略有效，實現(xiàn)方法可行，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞： 電流型功率放大器； 三電平控制； STC12C5A60S2； Simulink仿真

中圖分類號： TN722.7+5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0144?05

Abstract： A current mode PWM power amplifier with single degree of freedom was designed by taking STC12C5A60S2 high performance microcontroller as the control core， which has the advantages of high integration， small size， and low cost. The Hall current sensor is used to convert the current signal into voltage signal. The 10?bit 2?channel A/D internal SCM is used to sample the control signal and measurement signal respectively. The discrete PI controller can adjust the duty cycle of PWM module with 8?bit precision， and control the current ascent rate and descent rate. The three?level control strategy is contrasted and simulated by means of Simulink. The test results and simulation data are consistent， which reflects that the current mode power amplifier has high quiescent current accuracy and small ripple， and the dynamic response speed can meet the practical application. The control strategy is effective， and the implementation method is feasible. The system has good stability.

Keywords： current mode power amplifier； three?level control； STC12C5A60S2； Simulink simulation

0 引 言

在感性負(fù)載中，電流型PWM功率放大器的應(yīng)用十分廣泛。功率放大器的發(fā)展大致分為三代[1?2]：第一代是線性功放，其優(yōu)點是易于實現(xiàn)，缺點是系統(tǒng)動態(tài)性能差，效率較低，功率較大時器件發(fā)熱嚴(yán)重，多用于功率不大、精度要求不高的場合。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)展，開關(guān)型器件逐漸應(yīng)用在了功率放大器之上，這就是第二代功放。開關(guān)型器件的使用，不僅提高了電源效率，響應(yīng)速度也更快，但開關(guān)型器件會產(chǎn)生很大的電磁干擾，同時電流紋波也比線性功放大。第二代功放多由數(shù)個獨立模塊組合構(gòu)成，不僅體積巨大，而且開發(fā)周期長，系統(tǒng)整體可靠性不高。伴隨著集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，A/D、PWM等各種功能逐漸被整合進(jìn)同一塊控制芯片內(nèi)，集成開關(guān)功放開始形成。集成電路因為電路的高度集成，抗干擾能力顯著增強(qiáng)，整體穩(wěn)定性大大提高，硬件設(shè)計得以簡化，從此功率放大器朝著小型化、集成化的方向不斷發(fā)展。目前，大功率功放均是采用開關(guān)型器件和高性能的微處理器。

本文設(shè)計的電流型PWM功率放大器可運(yùn)用于需要對電流快速、穩(wěn)定、精確控制的應(yīng)用場合，從而實現(xiàn)輕量化、模塊化應(yīng)用。因此設(shè)計采用STC12C5A60S2高性能單片機(jī)，使用其內(nèi)部A/D和PWM模塊，最大限度減少了外圍器件和電路，有效降低了成本并提高系統(tǒng)整體可靠性。因其是數(shù)字式PI控制器，簡單修改控制參數(shù)即可靈活運(yùn)用于多種負(fù)載。

本文針對電流型PWM功率放大器的控制策略進(jìn)行電流紋波仿真分析，比較了兩電平控制策略和三電平控制策略的電流紋波效果，以及三電平控制策略下不同續(xù)流時間所對應(yīng)的電流紋波大小。測試驗證了仿真分析結(jié)果，表明基于高性能單片機(jī)的數(shù)字式電流型PWM功率放大器方案可行，性能良好。

1 原理與設(shè)計

1.1 功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電流型PWM功率放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用半橋電路結(jié)構(gòu)，半橋電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電磁線圈、功率場效應(yīng)管和功率續(xù)流二極管構(gòu)成。半橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要有[3]：

（1） 采用隔離電源驅(qū)動功率場效應(yīng)管時，半橋結(jié)構(gòu)可比全橋結(jié)構(gòu)少用兩路隔離電源；

（2） 全橋結(jié)構(gòu)中，當(dāng)T1，T2同時開通或者T3，T4同時開通時，即同一橋臂的上下兩管直通，電路會出現(xiàn)很大的短路電流，半橋結(jié)構(gòu)中，無論T1，T2出于何種狀態(tài)均不會出現(xiàn)上下直通的情況。

1.2 功率器件和驅(qū)動

在電力電子中，用于功率變換的開關(guān)型器件有很多，有晶閘管、功率場效應(yīng)管、IGBT等，按照其驅(qū)動方式的不同可以分為電流型器件和電壓型器件。目前功率放大器中使用的開關(guān)器件以功率場效應(yīng)管和IGBT居多，這是因為功率場效應(yīng)管和IGBT是單極性器件，內(nèi)部只存在多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有兩種載流子（多子和少子）的復(fù)合問題，因而開關(guān)頻率高，此外功率場效應(yīng)管和IGBT價格便宜，種類多樣，易于購買。

本設(shè)計選用的功率場效應(yīng)管為國際整流器（IR）生產(chǎn)的IRFP460，其具體技術(shù)參數(shù)有：最大漏源電壓為500 V，最大電流漏極電流為20 A。續(xù)流二極管只需要滿足電路所要承受的最高耐壓和最大電流要求，并留有一定的裕量即可，參考IRFP460的技術(shù)參數(shù)，本設(shè)計選用了MUR860。

單片機(jī)的I/O口并不能直接驅(qū)動功率場效應(yīng)管工作，因此必須要設(shè)計一級驅(qū)動級，這里選擇TLP250作為隔離驅(qū)動器件。TLP250是一種推挽式隔離驅(qū)動光耦，驅(qū)動電流1.5 A，隔離電壓630 V。TLP250在使用時電源和地之間需要一個退耦電容，退耦電容的布置需盡可能靠近輸入引腳，保證TLP250內(nèi)部的高增益可靠工作[4]。圖2是TLP250隔離驅(qū)動電路。

1.3 功率放大器輸出電流紋波

線性功率放大電路中，三極管工作在放大區(qū)，電感中的電流是穩(wěn)定、平滑的，電流紋波較小。但是，在開關(guān)型功率發(fā)大器中，因為開關(guān)管的高速開關(guān)動作，電流紋波的影響不可忽視，有些系統(tǒng)中電流紋波甚至可達(dá)直流偏置電流的15%以上[5]。

1.3.1 兩電平控制策略的電流紋波估算

兩電平控制策略電流波形如圖3所示，一個電流周期內(nèi)，電流只有上升、下降兩個狀態(tài)。

兩電平控制策略中，電流紋波和直流電源電壓成正比，和開關(guān)頻率、線圈電感量成反比，即直流電壓越高紋波越大，開關(guān)頻率、線圈電感量越大紋波越小[6]。

1.3.2 三電平控制策略的電流紋波估算

在兩電平控制策略的基礎(chǔ)上，三電平控制策略增加了一個電流續(xù)流狀態(tài)。三電平控制策略電流波形如圖4所示。

其中：為線圈中等效電阻的平均壓降。一般直流電源的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于和尤其為了提高功率放大器的動態(tài)響應(yīng)，會很高。

比較兩電平控制策略和三電平控制策略電流紋波的近似紋波可看出，在同一系統(tǒng)中，開關(guān)頻率和線圈電感量相同，當(dāng)功率放大器輸出平均值相同時，應(yīng)用三電平控制策略將減小電流紋波[8]。

1.3.3 三電平控制策略的電流紋波分析

根據(jù)上面推導(dǎo)的兩電平控制策略和三電平控制策略的電流紋波近似計算，可以得出三電平控制策略電流紋波比兩電平控制策略要小的結(jié)論。

通過圖5可以得出，應(yīng)用三電平控制策略的電流型功率放大器電流紋波將比兩電平控制策略減小30%以上。

進(jìn)一步仿真中，繼續(xù)使用同一個三電平控制策略的電流型功率放大器，并設(shè)定功率放大器為相同電流值，但是續(xù)流時間不同的，分別為20%，40%，60%，得到如圖6所示電流波形。

從圖6可以明顯看出續(xù)流時間越長電流紋波越小，從而提高三電平控制策的續(xù)流時間也是減小電流紋波的一種手段，實際上當(dāng)系統(tǒng)電流穩(wěn)定是三電平控制策的續(xù)流時間應(yīng)達(dá)到80%以上。

由式（7）可知，電流變化率主要取決于線圈電感和直流電源電壓在絕大多數(shù)系統(tǒng)中，線圈作為負(fù)載一般是固定不變的，從而增大直流電源電壓，可以提高負(fù)載響應(yīng)速度，縮短階躍響應(yīng)時間。

1.4 功率放大器軟件設(shè)計

軟件部分作為功率放大器的核心內(nèi)容，是控制策略由構(gòu)想到實現(xiàn)的重要保證。軟件設(shè)計應(yīng)該充分發(fā)揮控制芯片的性能優(yōu)勢，以使系統(tǒng)獲得更短的響應(yīng)時間和更高的執(zhí)行效率。

為實現(xiàn)功率放大器的三電平控制策略，單片機(jī)需要輸入/輸出接口和實現(xiàn)三電平控制策略的控制器。輸入/輸出接口使用A/D采樣輸入控制、測量信號和PWM模塊輸出執(zhí)行信號，控制器負(fù)責(zé)離散PI運(yùn)算[10]。

控制器在上電復(fù)位之后應(yīng)該進(jìn)行一系列的初始化操作，完成內(nèi)部寄存器的初始化賦值，PI控制器的參數(shù)設(shè)定，AD、PWM模塊相應(yīng)寄存器設(shè)置，從而單片機(jī)讓軟硬件都可靠工作。圖7所示為單片機(jī)上電復(fù)位之后的初始化操作。

PI算法流程圖如圖8所示，A/D采樣得到的10位二進(jìn)制數(shù)代表的是0～5 V的電壓值，電壓值和實際電流值有一個對應(yīng)關(guān)系。在進(jìn)行誤差計算前應(yīng)該首先把電壓值轉(zhuǎn)為電流值，并變換為同一量綱，只有電流的設(shè)置值和實際值處于同一量綱之下，計算出的電流誤差才是有意義的。判斷電流誤差大小，當(dāng)誤差大于0時控制電流減小，當(dāng)誤差小于0時控制電流增加。通過對誤差的PI算法，進(jìn)行占空比調(diào)制，以控制電流上升和下降的速度。

2 實 驗

2.1 直流穩(wěn)壓電源

功率放大器使用的電源為直流電源，而市電為220 V，50 Hz的交流電，市電經(jīng)過隔離、調(diào)壓、整流、濾波之后就轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻}動的直流電。

圖9所示為功率放大器的直流調(diào)壓電源示意圖，市電經(jīng)過隔離變壓器BK?500 VA的隔離，接在500 VA的調(diào)壓器上，經(jīng)過KBPC3510整流橋堆全波整流，隨后并聯(lián)一個470 μF的鋁電解電容和一個CBB104，輸出端接在功放的電源輸入端。

2.2 靜態(tài)激勵測試

靜態(tài)激勵測試的目的是檢驗功率場效應(yīng)管的開關(guān)是否正常，三電平控制策略是否有效，以及輸出電流紋波的大小。靜態(tài)激勵測試的測試參數(shù)如表1所示。

圖10所示為功率放大器靜態(tài)激勵測試的電流波形圖。從圖10可以看出，電流波形規(guī)則而且平穩(wěn)，沒有劇烈振蕩和不穩(wěn)定情況出現(xiàn)，電流紋波40 mV（對應(yīng)實際紋波電流100 mA）。與仿真結(jié)果（兩電平控制策略電流紋波約130 mA，三電平控制策略電流紋波約80 mA）相比較，電流紋波小于兩電平控制策略電流紋波但大于三電平控制策略電流紋波；由于實際控制、測量、顯示部分均存在誤差不可能達(dá)到仿真時的理想情況，可以認(rèn)為功率放大器的電流紋波達(dá)到了預(yù)期要求。

2.3 動態(tài)激勵測試

動態(tài)激勵測試的目的是考查功率放大器的動態(tài)性能。測試時輸入功率放大器的是一個頻率變化的正弦波信號，得到功率放大器的頻率特性和傳輸特性。

3 結(jié) 論

應(yīng)用高性能51單片機(jī)STC12C5A60S2實現(xiàn)了單自由度的電流型PWM功率放大器，使用單片機(jī)內(nèi)部A/D和PWM模塊，整體電路簡單，外圍器件少，有利于功率放大器的小型化且低成本。測試結(jié)果表明應(yīng)用了三電平控制策略的電流型PWM功率放大器輸出紋波電流小，動態(tài)性能好。

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