基于STC12C5A60S2的电流型PWM功率放大器设计

　　摘 要：以 STC12C5A60S2高性能单片机作为控制核心，设计一种单自由度电流型 PWM 功率放大器，具有集成度高、体积小和成本优势。霍尔电流传感器完成电流信号到电压信号转换，单片机内部 2路 10位精度 A/D 分别采样控制信号和测量信号。离散 PI 控制器对 8 位精度 PWM 模块进行占空比调节，控制电流上升和下降速度。采用 Simulink 对比仿真了三电平控制策略，测试结果和仿真数据相一致，反映出功率放大器的静态电流精度高、纹波小，动态响应速度可以满足实际应用。从而得出控制策略有效，实现方法可行，系统稳定性好。

　　0、引言

　　在感性负载中，电流型 PWM 功率放大器的应用十分广泛。功率放大器的发展大致分为三代：第一代是线性功放，其优点是易于实现，缺点是系统动态性能差，效率较低，功率较大时器件发热严重，多用于功率不大、精度要求不高的场合。随着电力电子技术的进展，开关型器件逐渐应用在了功率放大器之上，这就是第二代功放。开关型器件的使用，不仅提高了电源效率，响应速度也更快，但开关型器件会产生很大的电磁干扰，同时电流纹波也比线性功放大。第二代功放多由数个独立模块组合构成，不仅体积巨大，而且开发周期长，系统整体可靠性不高。伴随着集成电路的出现和发展，A/D、PWM 等各种功能逐渐被整合进同一块控制芯片内，集成开关功放开始形成。集成电路因为电路的高度集成，抗干扰能力显著增强，整体稳定性大大提高，硬件设计得以简化，从此功率放大器朝着小型化、集成化的方向不断发展。目前，大功率功放均是采用开关型器件和高性能的微处理器。

　　本文设计的电流型 PWM 功率放大器可运用于需要对电流快速、稳定、精确控制的应用场合，从而实现轻量化、模块化应用。因此设计采用 STC12C5A60S2 高性能单片机，使用其内部 A/D 和 PWM 模块，最大限度减少了外围器件和电路，有效降低了成本并提高系统整体可靠性。因其是数字式 PI 控制器，简单修改控制参数即可灵活运用于多种负载。

　　本文针对电流型 PWM 功率放大器的控制策略进行电流纹波仿真分析，比较了两电平控制策略和三电平控制策略的电流纹波效果，以及三电平控制策略下不同续流时间所对应的电流纹波大小。测试验证了仿真分析结果，表明基于高性能单片机的数字式电流型 PWM 功率放大器方案可行，性能良好。

　　1、原理与设计

　　1.1 功率放大器拓扑结构

　　电流型 PWM 功率放大器的拓扑结构选用半桥电路结构，半桥电路结构如图 1 所示，由电磁线圈、功率场效应管和功率续流二极管构成。半桥结构的优点主要有：

　　（1）采用隔离电源驱动功率场效应管时，半桥结构可比全桥结构少用两路隔离电源；

　　（2）全桥结构中，当 T1，T2同时开通或者 T3，T4同时开通时，即同一桥臂的上下两管直通，电路会出现很大的短路电流，半桥结构中，无论 T1，T2出于何种状态均不会出现上下直通的情况。

　　1.2 功率器件和驱动

　　在电力电子中，用于功率变换的开关型器件有很多，有晶闸管、功率场效应管、IGBT 等，按照其驱动方式的不同可以分为电流型器件和电压型器件。目前功率放大器中使用的开关器件以功率场效应管和 IGBT 居多，这是因为功率场效应管和 IGBT 是单极性器件，内部只存在多数载流子导电，没有两种载流子（多子和少子）的复合问题，因而开关频率高，此外功率场效应管和IGBT价格便宜，种类多样，易于购买。

　　本设计选用的功率场效应管为国际整流器（IR）生产的 IRFP460，其具体技术参数有：最大漏源电压为500 V，最大电流漏极电流为 20 A。续流二极管只需要满足电路所要承受的最高耐压和最大电流要求，并留有一定的裕量即可，参考 IRFP460 的技术参数，本设计选用了 MUR860。

　　单片机的I/O 口并不能直接驱动功率场效应管工作，因此必须要设计一级驱动级，这里选择 TLP250作为隔离驱动器件。TLP250 是一种推挽式隔离驱动光耦，驱动电流 1.5 A，隔离电压630 V。TLP250 在使用时电源和地之间需要一个退耦电容，退耦电容的布置需尽可能靠近输入引脚，保证 TLP250 内部的高增益可靠工作。图 2是 TLP250隔离驱动电路。

　　1.3 功率放大器输出电流纹波

　　线性功率放大电路中，三极管工作在放大区，电感中的电流是稳定、平滑的，电流纹波较小。但是，在开关型功率发大器中，因为开关管的高速开关动作，电流纹波的影响不可忽视，有些系统中电流纹波甚至可达直流偏置电流的 15%以上。

　　1.3.1 两电平控制策略的电流纹波估算

　　两电平控制策略电流波形如图3所示，一个电流周期T内，电流只有上升、下降两个状态。

　　两电平控制策略中，电流纹波和直流电源电压成正比，和开关频率、线圈电感量成反比，即直流电压越高纹波越大，开关频率、线圈电感量越大纹波越小。

　　1.3.2 三电平控制策略的电流纹波估算

　　在两电平控制策略的基础上，三电平控制策略增加了一个电流续流状态。三电平控制策略电流波形如图4所示。

　　其中：UR为线圈中等效电阻的平均压降。一般直流电源的电压UDC远远大于UT和UD，尤其为了提高功率放大器的动态响应，UDC会很高。

　　比较两电平控制策略和三电平控制策略电流纹波的近似纹波可看出，在同一系统中，开关频率和线圈电感量相同，当功率放大器输出平均值相同时，应用三电平控制策略将减小电流纹波。