水聲信號(hào)發(fā)射機(jī)的全橋功率放大電路設(shè)計(jì)

石春華, 江逸濤

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 艦船自動(dòng)化系統(tǒng)事業(yè)部, 上海 200135)

0 引 言

目前常用的水聲信號(hào)發(fā)射機(jī)功率放大電路主要采用變壓器半橋推挽結(jié)構(gòu),該電路因具有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和輸出效率高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于水聲發(fā)射機(jī)中。一般采用變壓器半橋推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路需要功率管承受2倍的輸入電壓,對(duì)功率管耐壓指標(biāo)的要求比較高,故該電路不適宜在對(duì)輸入電壓有很高要求的情況下應(yīng)用[1]。采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率放大電路能有效降低對(duì)功率管耐壓值的要求,不影響其輸出功率,非常適合大功率發(fā)射機(jī)應(yīng)用。本文主要介紹全橋功率放大電路的原理,通過(guò)計(jì)算確定驅(qū)動(dòng)芯片的型號(hào)、驅(qū)動(dòng)電阻的參數(shù)和自舉電路的參數(shù),結(jié)合PSpice仿真技術(shù)對(duì)經(jīng)典全橋電路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,使其輸出波形滿足水聲發(fā)射機(jī)的要求。

1 全橋功率放大電路原理

全橋功率放大電路需要4個(gè)N溝道功率管(見(jiàn)圖1),功率管Q1與功率管Q4為一組,功率管Q2與功率管Q3為一組,通過(guò)固定脈寬長(zhǎng)度的差分驅(qū)動(dòng)信號(hào)VIN+和VIN-令2組功率管交替導(dǎo)通,在負(fù)載RL兩端形成2個(gè)方向的交替電流,最終在負(fù)載兩端輸出峰值為VDD的2個(gè)差分波形。

圖1 全橋功率放大電路

在全橋電路中,Q3和Q4的源端接地,稱為低側(cè)功率管,其驅(qū)動(dòng)信號(hào)以地為參考,若要令Q3或Q4導(dǎo)通,只需令其柵極電壓大于功率管的開(kāi)啟電壓。Q1和Q2的源端接到負(fù)載,稱為高側(cè)功率管,當(dāng)Q1或Q2導(dǎo)通時(shí),會(huì)使其源端電壓等于輸入電壓VDD,若柵極電壓不提升,則柵源之間的電壓會(huì)小于功率管的開(kāi)啟電壓,功率管又關(guān)斷。因此,若要使高側(cè)功率管保持導(dǎo)通,需提升柵極電壓,只有如此才能使柵源之間的電壓在導(dǎo)通階段始終大于功率管的開(kāi)啟電壓。通常采用自舉電路提升高側(cè)功率管的柵極電壓,原理見(jiàn)圖2。

圖2 自舉電路

圖2所示自舉電路為全橋左側(cè)自舉電路,其中:二極管D和電容C分別為自舉二極管和自舉電容;VB管腳為高側(cè)驅(qū)動(dòng)電源;VS管腳為高側(cè)驅(qū)動(dòng)浮動(dòng)電源。受驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制,當(dāng)高側(cè)功率管Q1截止、低側(cè)功率管Q3導(dǎo)通時(shí),Q1的源端通過(guò)導(dǎo)通的Q3接地,電源VCC通過(guò)充電電阻Rb和自舉二極管D為自舉電容C充電,令C兩端的電壓約等于電源電壓VCC;當(dāng)高側(cè)功率管Q1導(dǎo)通、低側(cè)功率管Q3截止時(shí),自舉電容處于放電狀態(tài),此時(shí)Q1源端電壓約為VDD,由于電容兩端電壓不能突變,VB管腳電壓VB(即柵極電壓)約為VDD與VCC(電容充滿時(shí))之和,故柵源之間的電壓能保持在VCC附近,這樣能在Q1導(dǎo)通的狀態(tài)下,使柵源電壓始終參考Q1的浮動(dòng)源級(jí)電壓,即VS端電壓VS。

2 柵極驅(qū)動(dòng)芯片的確定

由于采用的是全橋拓?fù)涞墓β史糯箅娐?原來(lái)在變壓器半橋推挽電路上使用的功率管IRF38N20D仍能在全橋電路上使用,且漏源之間的電壓為原來(lái)的50%。由IRF38N20D的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知,柵極電荷Qg=60 nC,發(fā)射機(jī)的最大發(fā)射頻率f=100 kHz,電路的柵極驅(qū)動(dòng)電壓VDRV=12 V,因此1個(gè)功率管柵極的電荷損耗PDRV=QgfVDRV=0.072 W,驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O所需的平均電流Ig=fQg=0.006 A。結(jié)合全橋功率放大電路的應(yīng)用,要求有1路高側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出和1路低側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出,電路中需要2個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)4個(gè)功率管,本文采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110,其主要特性如下:

1) 具有獨(dú)立的高低側(cè)輸入輸出通道;

2) 柵極驅(qū)動(dòng)電壓的取值范圍為10～20 V,符合驅(qū)動(dòng)電路對(duì)供電電壓(12 V)的要求;

3) 浮動(dòng)高側(cè)電源電壓VS可達(dá)500 V,大于功率管漏極高壓60 V;

4) 開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間為120 ns和94 ns,遠(yuǎn)小于發(fā)射頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期10 μs;

5) 輸出驅(qū)動(dòng)電流為2 A,遠(yuǎn)大于Ig。

綜上,驅(qū)動(dòng)芯片IR2110滿足電路的要求。

3 經(jīng)典驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 確定外部柵極驅(qū)動(dòng)電阻Rg

柵極驅(qū)動(dòng)電阻Rg(分別為R1、R2、R3和R4)根據(jù)發(fā)射頻率f選擇。圖3為柵極驅(qū)動(dòng)電阻示意圖。

圖3 柵極驅(qū)動(dòng)電阻示意圖

柵極驅(qū)動(dòng)電流的計(jì)算公式[2]為

(1)

式(1)中:VCC為電源電壓;VGS為柵源電壓;Rg為柵極驅(qū)動(dòng)電阻。已知Ig=0.006 A,VCC=12 V。由功率管IRF38N20D的柵電荷與柵源電壓曲線可知,60 nC的電荷量需要VGS>10 V才能保證功率管達(dá)到完全開(kāi)啟的狀態(tài),這里期望VGS接近VCC,取VGS=11.5 V,將其代入式(1)中可計(jì)算得到Rg=83 Ω,實(shí)際設(shè)計(jì)的Rg應(yīng)小于83 Ω,以提供一定的余量。Rg能影響功率管的開(kāi)關(guān)速度:Rg增大會(huì)使開(kāi)關(guān)速度下降,導(dǎo)致波形上升/下降變緩;Rg減小能使開(kāi)關(guān)速度加快,但易引起尖峰和振蕩。因此,Rg的取值需在小于83 Ω的情況下綜合考慮。

3.2 確定自舉電路參數(shù)

3.2.1 確定自舉電容C

圖4為自舉電路充電回路。由圖4可知,自舉電路主要由自舉電容C、自舉電阻Rb和自舉二極管D組成,其中自舉電容C是最重要的元件,為高側(cè)功率管的源端提供浮動(dòng)偏置。為確定自舉電容C的參數(shù),需優(yōu)先確定高側(cè)功率管Q1導(dǎo)通時(shí)電容兩端電壓VBS的最大容許壓降ΔVBS,因?yàn)轵?qū)動(dòng)芯片IR2110對(duì)高側(cè)浮動(dòng)電源有欠壓保護(hù)作用,一旦VBS小于欠壓閾值VBSUV,芯片會(huì)因處于欠壓狀態(tài)而停止工作。ΔVBS可根據(jù)圖4確定,Q1導(dǎo)通時(shí)電容C放電,使VBS下降,然后Q3導(dǎo)通,自舉電路進(jìn)入充電狀態(tài),有

圖4 自舉電路充電回路

ΔVBS≤VCC-VF-VGSmin-VDSon

(1)

式(1)中:VF為自舉二極管的正向?qū)妷?通常為1 V;VGSmin為柵源的最小驅(qū)動(dòng)電壓,要求大于VBSUV,根據(jù)IR2110芯片手冊(cè),VBSUV=9.4 V;VDSon為低側(cè)功率管導(dǎo)通時(shí)的管壓降,此時(shí)電流約為10 A,由IRF38N20D手冊(cè)可知,導(dǎo)通內(nèi)阻約為0.054 Ω,由此可得VDSon=0.54 V。將這些參數(shù)代入式(1)中,可得ΔVBS≤1.06 V。

自舉電容兩端電壓VBS在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的壓降主要是以下幾個(gè)因素[3]導(dǎo)致的:

1) 功率管開(kāi)啟時(shí)需要的柵電荷Qg;

2) 功率管柵源之間的泄電流ILK_GS;

3) IR2110靜態(tài)VBS的供電電流IQBS;

4) IR2110浮動(dòng)電源的泄電流ILK

5) IR2110內(nèi)部電平位移器需要的電荷量QLS;

6) 自舉二極管D的泄電流ILK_D;

7) 高側(cè)功率管導(dǎo)通時(shí)間Ton;

8) 自舉電容C的泄電流ILK_C。

以上參數(shù)均能根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)得到,1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的總電荷量的計(jì)算公式可表示為

QTOT=Qg+QLS+(ILK_GS+IQBS+ILK+ILK_D+ILK_C)×Ton

(2)

自舉電容C的計(jì)算公式可表示為

(3)

這里在對(duì)C進(jìn)行取值時(shí)需放大一點(diǎn)余量,取C=220 nF,采用瓷片電容作為自舉電容。

3.2.2 確定自舉二極管D

二極管在自舉電路中的主要作用是當(dāng)高側(cè)功率管開(kāi)啟時(shí),用來(lái)防止高壓回流至驅(qū)動(dòng)電源端造成電路受損,故需要二極管反向電壓VR>VB=72 V,并保有一定的余量。此外,二極管的正向?qū)娏鱅F滿足IF>Ig,保證驅(qū)動(dòng)電流足夠。同時(shí),為減少電荷損失,選擇ILK_D較小的反向恢復(fù)二極管[4]比較合適,這里選用英飛凌的SMBD7000,其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 SMBD7000主要參數(shù)

3.2.3 確定自舉電阻Rb

自舉電容C的充電時(shí)間常數(shù)τ=RbC,由發(fā)射頻率可知,電容的充電時(shí)間需小于5 μs。充電時(shí)間t的計(jì)算公式可表示為

(4)

式(4)中:V0為電容初始電壓,這里V0=0 V;Vt為t時(shí)刻的充電電壓,要求Vt≥10 V。根據(jù)式(4)對(duì)Rb進(jìn)行合理取值,使t<5 μs。在自舉電容C=220 nF的條件下,取Rb=10 Ω,此時(shí)充電時(shí)間t=3.94 μs。當(dāng)對(duì)自舉電容充電時(shí),串聯(lián)的Rb還能起到限流的作用。

4 電路仿真及改進(jìn)

利用Cadence PSpice仿真技術(shù)對(duì)全橋電路的參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,在Cadence軟件中輸入IR2110的PSpice模型代碼,并生成仿真模型,繪制全橋功率放大電路,信號(hào)源波形為單正極性方波,頻率為100 kHz,信號(hào)為12Vpp的差分信號(hào),部分代碼如下:

{.SUBCKT IR2110 LO HO COM VSS LIN HIN VCC VB VS VDD SD

R_HIN HIN VSS 1E12

C_HIN HIN VSS 1F

R_LIN LIN VSS 1E12

C_LIN LIN VSS 1F

R_HO HO VS 1E12

R_LO LO COM 1E12

R_VB VB VS 1E12

R_VDD VDD VSS 1E12

R_VCC VCC COM 1E12

R_VS VS COM 1E12

R_VSS VSS COM 1E12

R_SD SD VSS 750K

C_SD SD VSS 1F

R_DT DT VSS 1

C_DT DT VSS 1P

X_GD_TEMPLATE LO HO COM VSS LIN HIN VCC VB VS SD DT VDD IR2110_GD_TEMPLATE

.ENDS IR2110}

全橋仿真原理圖見(jiàn)圖5。

圖5 全橋仿真原理圖

4.1 結(jié)合仿真確定Rg的值

根據(jù)Rg的取值范圍更改電路中R1、R2、R3和R4的值,查看高側(cè)功率管柵源電壓VGS的驅(qū)動(dòng)波形。圖6和圖7分別為Rg取值為20 Ω和10 Ω時(shí)高壓側(cè)功率管VGS的驅(qū)動(dòng)。

圖6 Rg=20 Ω時(shí)高側(cè)功率管VGS的驅(qū)動(dòng)波形

圖7 Rg=10 Ω時(shí)高側(cè)功率管VGS的驅(qū)動(dòng)波形

由圖6和圖7可知:當(dāng)Rg過(guò)大時(shí),VGS上升變緩,且無(wú)法達(dá)到要求的開(kāi)啟電壓,同時(shí)放大了彌勒效應(yīng);當(dāng)Rg=10 Ω時(shí),功率管輸入電容均能充電至要求的開(kāi)啟電壓,VGS的波形滿足發(fā)射機(jī)的要求。

4.2 結(jié)合仿真確定自舉電容C

根據(jù)之前計(jì)算得到的C的取值范圍進(jìn)行仿真,結(jié)合式(4),在Rb=10 Ω的前提下,查看自舉電容C取不同數(shù)值時(shí)高側(cè)功率管VGS的驅(qū)動(dòng)波形,見(jiàn)圖8～圖10。

圖8 C=100 nF時(shí)高側(cè)功率管VGS的驅(qū)動(dòng)波形

圖9 C=220 nF時(shí)高側(cè)功率管VGS的驅(qū)動(dòng)波形

圖10 C=330 nF時(shí)高側(cè)功率管VGS的驅(qū)動(dòng)波形

由圖8～圖10可知:當(dāng)C=100 nF時(shí),VGS的驅(qū)動(dòng)波形能達(dá)到發(fā)射機(jī)的要求,但其幅值略小于10 V,由功率管IRF38N20D的柵電荷與柵源電壓曲線可知,60 nC的電荷量需要VGS>10V才能保證功率管達(dá)到完全開(kāi)啟的狀態(tài);當(dāng)C=330 nF時(shí),在工作頻率為100 kHz的限制條件下,低側(cè)管導(dǎo)通時(shí)C的充電時(shí)間為5 μs,根據(jù)式(4),在電容取值過(guò)大的情況下,無(wú)法在這段時(shí)間內(nèi)充滿電,致使功率管在初始的1～2個(gè)脈沖內(nèi)無(wú)法開(kāi)啟,VGS的驅(qū)動(dòng)波形在初始階段有缺陷;當(dāng)C=220 nF時(shí),VGS的驅(qū)動(dòng)波形和幅值均基本上滿足發(fā)射機(jī)柵極波形的要求。

4.3 全橋功率放大電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)仿真及改進(jìn)

確定各關(guān)鍵器件的參數(shù)之后,對(duì)圖5中探頭標(biāo)識(shí)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)圖11和圖12。

圖12 功率放大電路輸出負(fù)載兩端的波形

由圖11和圖12可知,設(shè)計(jì)的功率放大電路的輸出波形基本上滿足發(fā)射機(jī)的要求。根據(jù)圖中Q1的柵源波形和輸出電壓VOUT1的波形,5 μs之前波形存在缺陷,第一個(gè)本應(yīng)是高電平的脈沖,但此時(shí)Q1呈關(guān)斷狀態(tài),分析電路原理可知,在上電的開(kāi)始階段,驅(qū)動(dòng)不會(huì)立即建立,且Q3在第一個(gè)脈沖出現(xiàn)時(shí)呈關(guān)斷狀態(tài),導(dǎo)致自舉電容C1無(wú)法正常充電,也就使Q1的柵源電壓無(wú)法滿足功率管的開(kāi)啟條件,以致輸出電壓VOUT1的波形在第一個(gè)脈沖內(nèi)呈低電平狀態(tài)。

為此,對(duì)自舉電路稍作更改,在仿真電路(如圖6所示)中增加自舉啟動(dòng)電阻R11和R12,見(jiàn)圖13。啟動(dòng)電阻的作用是在電路上電之后和驅(qū)動(dòng)未建立之前,所有功率管均處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí)對(duì)自舉電容C1和C2充電,以確保在建立發(fā)射驅(qū)動(dòng)時(shí)不再出現(xiàn)上述現(xiàn)象。在這些條件下,C1先通過(guò)R9、D1和R11充電,當(dāng)R11=20 kΩ時(shí),充電至10 V需要的時(shí)間為

圖13 添加自舉啟動(dòng)電阻R11和R12后的全橋原理圖

(5)

阻值越大,充電時(shí)間越慢。然而,當(dāng)高側(cè)功率管導(dǎo)通時(shí),會(huì)在R11和R12上有60 V的電壓,這時(shí)在R11和R12上的瞬時(shí)功耗為180 mW,因此R11和R12取值不宜過(guò)小,避免帶來(lái)不必要的功率損耗。改進(jìn)后的功率放大電路輸出負(fù)載兩端的輸出電壓波形見(jiàn)圖14,波形前端的脈沖缺陷得到改善。

圖14 改進(jìn)后的功率放大電路輸出負(fù)載兩端的輸出電壓波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于現(xiàn)有發(fā)射機(jī)的應(yīng)用情況,通過(guò)理論計(jì)算和仿真設(shè)計(jì)了全橋功率放大電路,利用Cadence軟件對(duì)該電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和部分改進(jìn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的全橋功率放大電路的原理、器件型號(hào)和參數(shù)能適用于水聲發(fā)射機(jī),為以后該電路的實(shí)際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。全橋電路具有高效的電源利用率,為提升發(fā)射機(jī)的功率提供了理論基礎(chǔ),同時(shí)器件增多給實(shí)際電路的應(yīng)用帶來(lái)了很多新的挑戰(zhàn),如復(fù)雜度提升、損耗增加、發(fā)熱和體積增大等,這些問(wèn)題有待在后續(xù)研究中解決。