基于STC12C5A60S2的電流型PWM功率放大器設計

摘 要： 以STC12C5A60S2高性能單片機作為控制核心，設計一種單自由度電流型PWM功率放大器，具有集成度高、體積小和成本優勢。霍爾電流傳感器完成電流信號到電壓信號轉換，單片機內部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模塊進行占空比調節，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，測試結果和仿真數據相一致，反映出功率放大器的靜態電流精度高、紋波小，動態響應速度可以滿足實際應用。從而得出控制策略有效，實現方法可行，系統穩定性好。

關鍵詞： 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 文獻標識碼： 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

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

本文設計的電流型PWM功率放大器可運用于需要對電流快速、穩定、精確控制的應用場合，從而實現輕量化、模塊化應用。因此設計采用STC12C5A60S2高性能單片機，使用其內部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整體可靠性。因其是數字式PI控制器，簡單修改控制參數即可靈活運用于多種負載。

本文針對電流型PWM功率放大器的控制策略進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流時間所對應的電流紋波大小。測試驗證了仿真分析結果，表明基于高性能單片機的數字式電流型PWM功率放大器方案可行，性能良好。

1 原理與設計

1.1 功率放大器拓撲結構

電流型PWM功率放大器的拓撲結構選用半橋電路結構，半橋電路結構如圖1所示，由電磁線圈、功率場效應管和功率續流二極管構成。半橋結構的優點主要有[3]：

（1） 采用隔離電源驅動功率場效應管時，半橋結構可比全橋結構少用兩路隔離電源；

（2） 全橋結構中，當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，電路會出現很大的短路電流，半橋結構中，無論T1，T2出于何種狀態均不會出現上下直通的情況。

1.2 功率器件和驅動

在電力電子中，用于功率變換的開關型器件有很多，有晶閘管、功率場效應管、IGBT等，按照其驅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器件以功率場效應管和IGBT居多，這是因為功率場效應管和IGBT是單極性器件，內部只存在多數載流子導電，沒有兩種載流子（多子和少子）的復合問題，因而開關頻率高，此外功率場效應管和IGBT價格便宜，種類多樣，易于購買。

本設計選用的功率場效應管為國際整流器（IR）生產的IRFP460，其具體技術參數有：最大漏源電壓為500 V，最大電流漏極電流為20 A。續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的技術參數，本設計選用了MUR860。

單片機的I/O口并不能直接驅動功率場效應管工作，因此必須要設計一級驅動級，這里選擇TLP250作為隔離驅動器件。TLP250是一種推挽式隔離驅動光耦，驅動電流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內部的高增益可靠工作[4]。圖2是TLP250隔離驅動電路。

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，電感中的電流是穩定、平滑的，電流紋波較小。但是，在開關型功率發大器中，因為開關管的高速開關動作，電流紋波的影響不可忽視，有些系統中電流紋波甚至可達直流偏置電流的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，電流只有上升、下降兩個狀態。

兩電平控制策略中，電流紋波和直流電源電壓成正比，和開關頻率、線圈電感量成反比，即直流電壓越高紋波越大，開關頻率、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上，三電平控制策略增加了一個電流續流狀態。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遠大于和尤其為了提高功率放大器的動態響應，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，在同一系統中，開關頻率和線圈電感量相同，當功率放大器輸出平均值相同時，應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

根據上面推導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論。

通過圖5可以得出，應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。

進一步仿真中，繼續使用同一個三電平控制策略的電流型功率放大器，并設定功率放大器為相同電流值，但是續流時間不同的，分別為20%，40%，60%，得到如圖6所示電流波形。

從圖6可以明顯看出續流時間越長電流紋波越小，從而提高三電平控制策的續流時間也是減小電流紋波的一種手段，實際上當系統電流穩定是三電平控制策的續流時間應達到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系統中，線圈作為負載一般是固定不變的，從而增大直流電源電壓，可以提高負載響應速度，縮短階躍響應時間。

1.4 功率放大器軟件設計

軟件部分作為功率放大器的核心內容，是控制策略由構想到實現的重要保證。軟件設計應該充分發揮控制芯片的性能優勢，以使系統獲得更短的響應時間和更高的執行效率。

為實現功率放大器的三電平控制策略，單片機需要輸入/輸出接口和實現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模塊輸出執行信號，控制器負責離散PI運算[10]。

控制器在上電復位之后應該進行一系列的初始化操作，完成內部寄存器的初始化賦值，PI控制器的參數設定，AD、PWM模塊相應寄存器設置，從而單片機讓軟硬件都可靠工作。圖7所示為單片機上電復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位二進制數代表的是0～5 V的電壓值，電壓值和實際電流值有一個對應關系。在進行誤差計算前應該首先把電壓值轉為電流值，并變換為同一量綱，只有電流的設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，當誤差大于0時控制電流減小，當誤差小于0時控制電流增加。通過對誤差的PI算法，進行占空比調制，以控制電流上升和下降的速度。

2 實 驗

2.1 直流穩壓電源

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，市電經過隔離、調壓、整流、濾波之后就轉變為具有脈動的直流電。

圖9所示為功率放大器的直流調壓電源示意圖，市電經過隔離變壓器BK?500 VA的隔離，接在500 VA的調壓器上，經過KBPC3510整流橋堆全波整流，隨后并聯一個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 靜態激勵測試

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

圖10所示為功率放大器靜態激勵測試的電流波形圖。從圖10可以看出，電流波形規則而且平穩，沒有劇烈振蕩和不穩定情況出現，電流紋波40 mV（對應實際紋波電流100 mA）。與仿真結果（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到仿真時的理想情況，可以認為功率放大器的電流紋波達到了預期要求。

2.3 動態激勵測試

動態激勵測試的目的是考查功率放大器的動態性能。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 論

應用高性能51單片機STC12C5A60S2實現了單自由度的電流型PWM功率放大器，使用單片機內部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。測試結果表明應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，動態性能好。

參考文獻

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