【《某小容量双极性功率放大器的方案设计》4000字】

某小容量双极性功率放大器的方案设计目录TOC\o"1-3"\h\u29517某小容量双极性功率放大器的方案设计 1188471.1控制电路设计 250491.2驱动电路设计 3184041.3升压电路设计 4181571.4放大电路设计 4159771.5整流电路设计 5本课题的要求是设计一个可以输出峰值电压100V，输出功率可达200W，最大输出频率可以达到500HZ的小容量双极性功率放大器。考虑到双极性输出，与一般的功率放大器不同，而且输出的电压和功率也比较高，这就需要考虑到元件的耐压能力，和一些元件的驱动能力，这就需要一个放大电路和一个驱动电路。此外，课题对输出的频率的要求，这就需要添加一个控制电路。综上考虑这些数据指标和要求，初步的样机电路系统设计，大体上可以由三部分组成，分别是控制电路、驱动电路和放大电路，其结构框图如图1.1所示：图1.1初步设计流程图控制电路起到了提供一个信号源的作用，它要给系统提供一对互补的PWM或SPWM信号，用来控制系统的输出。所以，可以通过改变控制电路输出信号的频率，来改变小容量双极性功率放大器的输出频率。而驱动电路部分，可以考虑以IR2110芯片为核心，对来自控制电路的互补信号进行适当的放大，使其可以达到驱动放大电路正常运行的电压。因为需要输出双极性电源，放大电路可以采用4个MOS管构成的H桥电路为核心。驱动电路可以通过驱动MOS管的导通、截止，使放大电路输出双极性电源。总结来说，就是控制电路通过控制驱动电路输出驱动信号，来控制放大电路正常工作，进而输出双极性的电源，最终实现小容量双极性功率放大器的功能。此外，考虑到一个完整的系统运行，还需要用到电源供电和系统保护部分。电源部分，驱动芯片需要5V和15V直流电源，放大电路也需要一个很大的直流电源。所以，系统还需要添加一个直流升压电路，为驱动电路提供15V的直流电源REF_Ref22483\r\h[6]；和一个整流电路，为放大电路部分提供足够的工作电源。而保护部分，其实在每一个电路模块部分中都有使用，所以不再单独列出。最终，形成的一个完整电路系统结构框图如图1.2所示：图1.2设计流程图1.1控制电路设计本课题设计输出0~500khz频率的小容量双极性功率放大器，考虑到上线频率较高，51单片机的计算量较小和内存不够，在运行上可能比较困难，所以可以排除使用51单片机。而与51相比较，STM32芯片的功能更强大，容量更大，外部接口也很多。而且STM32单片机程序基本上是模块化的，接口相对简单些，工作速度也更迅速快捷。最终比较后，选择采用STM32F103RC最小系统作为驱动电路。一开始我打算使用STM32输出一串PWM，然后把PWM信号并联出去，即一分为二，在相同时间，一个经过一个非门和另一个经过一个一脚接高电平的与门，从而得到一对互补的PWM输入信号。另一个PWM信号经过一个一脚接高电平的与门，主要目的是考虑到门电路的延时作用，防止两个信号存在时间差REF_Ref22483\r\h[7]。然而，由于考虑到工艺问题，出现的门电路的延时不同，而造成输出的互补信号不太理想，最终选择放弃。最后还是采用了STM32直接输出一对互补的PWM信号，并以这一对PWM信号作为控制信号源输入到驱动电路中。在程序设计方面，输出一对互补的PWM信号主要有六个步骤。第一步是开启TIM1时钟以及复用功能时钟，并且配置相应的GOIO端口为复用输出；第二步是设置TIM1_CH重映射到对应的GOIO端口上；第三步是初始化TIM1，设置TIM1的ARR和PSC；第四步是设置TIM1_CH的PWM模式，使能TIM1的CH输出；第五部是使能TIM1；最后一步是修改TIM1_CCR来控制占空比。以上6个步骤设计出的程序，属于功能子程序，还需要有主程序和其它的调用子程序才能实现完整的功能。而调用的大多数子程序，是几乎所有STM32单片机程序工程都需要使用的模板。为了使用方便，很多功能和定义是可以直接调用的，在这里不一一说明。完整的STM32单片机功能程序和主程序，将放置在附录3中。1.2驱动电路设计驱动电路一般位于控制电路和主电路之间，对控制信号起到放大作用。本次课题的驱动电路设计考虑到控制信号的频率范围，和放大电路需要的驱动的电压大小。最终决定采用IR2110驱动芯片，并以IR2110驱动芯片为核心，展开驱动电路部分的设计。IR2110驱动芯片一种高效能驱动器。它不仅体积小，采用DIP-14型号；集成度高，一块芯片就可以驱动一条桥臂的两个MOS管；响应速度快，开通时间120纳秒，关断94纳秒；偏值电压高，可以达到600V；频率范围广，工作频率可达0-500KHZ；驱动能力强，可以同时驱动两个MOS管；而且兼有光耦隔离和电磁隔离功能突出的优点。这些优点使得它成为中小型功率变换装置中的驱动器件首选。此外，IR2110驱动芯片还具有内设欠压封锁的功能，而且成本低，易于调试，并外部设置有保护封锁端口等。更重要的是，它的上管驱动采用的是外部自举电容上电，这使得它的驱动电源路数目较其他IC驱动芯片大幅度减小，简化了电路结构。采用2块IR2110驱动芯片，就可以实现驱动由4个MOS管构成的H桥电路。IR2110驱动芯片驱动2个桥臂，可以考虑使用一路电源电压为10~20V范围接VCC端口。此外，还需要一个芯片的工作电源电压5V接VDD端口即可。这让变压器使用和电源的使用数量大大减小,不仅降低了样机的制作成本,而且简化的电路结构，大大提高了系统的可靠性。IR2110驱动芯片一共有14个管脚，本课题需要用到其中的10个管脚。驱动电路的是IR2110驱动芯片管脚外接电路设计中，在VDD端口和VSS端口之间需要接一个0.1μF的瓷片电容，用于芯片断电时继续给芯片供电。VCC端口接一个15V直流电源，VB端口接入的VCC直流电源需要先接一个快速回复二极管HER506，用于防止VB电压过大，避免电流逆流造成直流电源损坏，和使VCC端口电压升高损而坏驱动芯片。VB端口和VS端口同样需要接入一个0.1μF和一个0.01μF的瓷片电容，充当自举电容。HO端口和LO端口需要接一个20Ω的电阻和一个快速回复二极管HER506，用于限制电流过大，防止MOSFET管回馈的电荷过多损坏IR2110驱动芯片。1.3升压电路设计考虑到本次课题设计中的驱动电路不仅需要5V直流电源，还需要用到15V左右的直流电源供电。然而，15V直流电源并不常见。在现有条件中，可以提供一个5V直流电源。所以，设计采用直流5V电压升至直流15V电压的QS升压模块电路，来提供15V直流电源。QS升压模块是一种非隔离升压模块（BOOST）。它的参数指标是：输入5V直流电压，可输出15V直流电压，输出功率为12W。QS升压模块电路不仅体积小，效率高，而且使用方便。相比于使用经降压变压器降压后，再经整流、稳压处理的整流电路，最后得到15V直流电压。升压模块电路的使用是非常的灵活，安全和可靠的，而且成本也更低。QS升压模块电路的使用，使得变压器的使用和电源的数量大大减小了,这不仅降低了样机的制作成本,而且简化的电路结构，提高了整个电路系统的可靠性。1.4放大电路设计考虑到本次课题要求样机输出具有双极性特点的电源压，而比较金典的输出双极性电压的电源电路，有单向全桥逆变电路，即把直流电压变成交流电压，如果输出的交流电压有正负，这便是双极性电压REF_Ref22483\r\h[8]。综合考虑输出电压和频率得的要求，本次放大电路设计决定采用4个IRFP460的MOS管构成H桥电路作为放大电路。IRFP460型号的MOS管是一种分离式半导体产品，N通道，属于通用型场效应管。它的参数是导通电阻为0.22Ω，最大输出电压可达500V，最大电流可达20A，最大功率可达260W。这些性能指标很好的满足的本课题要求输出的200W功率指标。此外，它的优点也非常突出，性能好，通断时间也非常的短，反应迅速，而且稳定性和可靠性也非常的好。H桥电路也称逆变电路，是一种比较常见的电子电路，常常被用于切换施加在负载上的电压极性和逆变器中。本次设计中，就是采用H桥电路设计，其的主要电路结构由两个桥臂构成，而每个桥臂由两个MOS管组成，分为上下通道。这两个MOS管的栅极分别接收来自IR2110驱动芯片的高（HO端口）、低（LO端口）端驱动信号，另一个桥臂上的两个MOS管同样如此。因为HO端口和LO端口的输出驱动信号是互补的，所以会使得同一个桥臂上的两个MOS管不能同时导通，而分别接在不同桥臂上，而且连接IR2110驱动芯片相同的输出驱动信号端口的MOS管也不同时导通。分别接在不同桥臂上，而且连接IR2110驱动芯片不相同的输出驱动信号端口的MOS管不同时导通。就的这样，4个MOS管分别轮流的导通、截止，最终可以输出双极性电压。此外，H桥放大电路还需要添加一些外围保护电路，确保电路稳定安全的工作。放大电路的保护电路宜采用RCD型保护电路，即在漏极和栅极之间接入并联的100k电阻和0.1μF的无极性电容，其限流保护作用。在漏极和源极之间接入并联一个3k的电阻和一个0.1μF的无极性电容后，再和一个二极管串联。由于流过的电压电流较大，所以这里的3K电阻采用额定功率为2W的，无极性电容采用CBB电容。又因为考虑到频率和流过的电压较大，二极管采用快速回复二极管HER506。1.5整流电路设计本次课题要求输出最高200W功率的信号电源，这些功率来自MOS管的放大。而功率放大器具有的放大功能，并不是晶体管凭空产生能量，并使能量放大。它的能量而是完全是由集电极或漏极的直流电源功率转换而来的，使用需要设计一个大功率、大电压的电源电路。综合考虑后，采用设计一个整流电路，来提供放大电路的电能。因为整流电路的电压和电流都非常的大，所以选用的元器件都应该具有良好的耐压耐流特性。本课题的整流电路设计，采用KBPC2510桥堆为核心设计。它的一些参数指标：最大经常峰值电压1000V，有效电压700V，最大正向平均电流25A。这些都指标远大于本次课题要求的电压电流值，确保了系统电路的安全。它的优点也非常明显，有良好的耐高压、耐高电流性能，而且可靠性很高。此外，它的外壳由金属合金构成的，这非常利于散热。经过整流桥堆后，引出的正负极都接上一个5A的保险管，对电路进行保护，防止电路短路而烧坏整个课题设计的样机。接下来是要分别接一个2200μ