PWM功率放大电路
(完整word版)pwm开关型功率放大器
电力电子技术课程设计报告题目PWM开关型功率放大器的设计专业电气工程及其自动化班级电气学号学生姓名指导教师2008 年春季学期一、总体设计1．主电路的选型（方案设计）经过对设计任务要求的总体分析，明确应该使用电力电子组合变流中的间接交流变流的思想进行设计，因为任务要求频率是可变的，故选择交直交变频电路（即VVVF电源）。
交直交变频电路有两种电路：电压型和电流型。
在逆变电路中均选用双极性调制方式。
方案一：采用电压型间接交流变流电路。
其中整流部分采用单相桥式全控整流电路，逆变部分采用单相桥式PWM逆变电路，滤波部分为LC滤波，负载为阻感性。
电路原理图如下所示：方案二：采用电压型间接交流变流电路。
其中整流部分采用单相全桥整流电路，逆变部分采用单相桥式PWM逆变电路，滤波部分为LC滤波，负载为阻感性。
电路原理图如下所示：方案三：采用电压型间接交流变流电路。
其中整流部分采用单相桥式PWM 整流电路，逆变部分采用单相桥式PWM逆变电路，滤波部分为LC滤波，负载为阻感性。
电路原理图如下所示：分析：方案一中整流电路与逆变电路都采用全控型可以通过控制a角的大小来控制Ud的大小。
方案二中的整流电路是单相全桥整流电路，属于不可控型。
Ud大小不可变。
方案三采用双PWM电路。
整流电路和逆变电路的构成可以完全相同，交流电源通过交流电抗器和整流电路联接，通过对整流电路进行PWM控制，可以使输入电流为正弦波并且与电源电压同相位，因而输入功率因数为1，并且中间直流电路的电压可以调整。
但由于控制较复杂，成本也较高，实际应用还不多，故此处没有选用。
经过分析我选用了方案一。
其中控制部分采用双极性PWM波控制触发，从而控制负载电流和电压。
由于逆变部分采用电压型逆变电路，所以当选用电阻性负载时其电流大致呈正弦波，电压呈矩形波。
2. 总体实现框架二、主要参数及电路设计1. 主电路参数设计 由已知条件可得负载端的电流A i U P 5100500===, 电阻205100===i U R Ω。
d类放大器原理
d类放大器原理D类放大器是一种数字放大器，其工作原理是将输入信号转换成数字信号后进行放大处理。
与传统的A、B类放大器相比，D类放大器具有高效率、低功耗、小尺寸等优势，因此在音频、视频、无线通信等领域得到了广泛应用。
D类放大器的核心原理是脉宽调制（PWM）。
在D类放大器中，输入信号首先经过模数转换器（ADC）转换成数字信号，然后通过脉宽调制技术将数字信号转换成PWM信号。
PWM信号的特点是占空比与输入信号的幅值成正比关系，即输入信号幅值越大，占空比越大。
接下来，PWM信号经过滤波器（低通滤波器或带通滤波器）进行滤波处理，去除高频成分，得到放大后的模拟信号。
D类放大器的工作原理可以归纳为以下几个关键步骤：1. 模数转换：输入信号经过模数转换器（ADC）将模拟信号转换成数字信号。
模数转换器通常采用采样-量化-编码的过程，将输入信号按照一定的采样频率进行采样，并将采样值量化成数字形式，最后进行编码得到数字信号。
2. 脉宽调制：数字信号经过脉宽调制器，通过比较器和一个固定频率的三角波信号进行比较，生成一系列脉宽随输入信号幅值变化而变化的PWM信号。
脉宽调制的关键是控制占空比，使得占空比与输入信号幅值成正比。
3. 滤波：PWM信号经过滤波器进行滤波处理，去除高频成分，得到放大后的模拟信号。
滤波器可以是低通滤波器或带通滤波器，其目的是去除PWM信号中的高频分量，重新恢复信号的原貌。
4. 输出：经过滤波处理的模拟信号作为放大器的输出信号，通过放大器的功率放大电路进一步放大，最终驱动输出负载。
D类放大器的工作原理基于脉宽调制和滤波技术，通过将模拟信号转换成数字信号，再将其转换成PWM信号，最终通过滤波器将其恢复成模拟信号。
在这个过程中，D类放大器实现了高效率的放大处理，将输入信号以数字方式处理，有效减少了功耗和失真。
总之，D类放大器通过脉宽调制和滤波技术实现了输入信号的高效率放大。
其工作原理基于模数转换、脉宽调制和滤波处理，通过将输入信号转换成数字信号后进行处理，最终输出放大后的模拟信号。
PWM功率放大电路
P W M功率放大电路集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#PWM功率放大电路——卢浩天LC梦创电子制作工作室一、PWM功率放大原理PWM功放电路有单极性和双极性之分。
双极性指在一个PWM周期内，电机电枢电压正、负极性改变一次；单极性指PWM功放管工作时，有一个PWM信号端和一个方向控制端，在电机正转或反转时，仅有对应的一对功放管通电，而另一对功放管截止。
因此，电机电枢在正转或反转时，正、负极性是固定的，即是单极性的。
若忽略晶体管的管压降，可以认为PWM功率放大管的输出电平等于电源电压，即|U|=C U。
图1描绘了电枢的电压波形和电流波形。
在图AB中，T为PWM脉冲周期，T为正脉冲宽度，h T为负脉冲宽度。
电枢两端P的电流是一个脉动的连续电流，从图可看出，电枢两端的电流是一个脉动的连续电流，加快PWM的切换频率，电流的脉动就变小，结果近似于直流信号的效果，使电机均匀旋转。
同时，如果改变PWM的脉冲的宽度，电枢中的平均电流也将变化，电机的转速便将随之改变，这就是PWM调速的原理。
在图中，PWM脉冲频率决定了电枢电流的连续性，从而也决定了电机运行的平稳性。
如果脉冲频率切换频率选择不当，电机的低速性能有可能不理想，容易烧坏晶体管，而且由于电流不连续，电机有可能产生剧烈震荡，甚至出现啸叫现象，这些都是不允许的。
因此，在设计PWM功率放大器时，要慎重选择切换频率。
为了克服静摩擦，改善运行特性，切换频率应能使电机轴产生微振，即：式中，T K 为转矩系数，Φ=M T C K （M C 为电机电磁常数、Φ为励磁磁通），C U 为功放电源，A L 为电枢电感，S T 为电机静摩擦力矩。
另外，选择切换频率具体还应考虑以下几个方面：（1）微振的最大角位移应小于允许的位置误差。
在伺服系统中，假设要求位置误差小于δ，则要求切换频率满足下式：式中，J 为电机及负载的转动惯量。
（2）应尽量减小电机内产生的高频功耗。
D类功放的设计原理
D类功放的设计原理D类功放，全称为“数字功率放大器”，是一种电子功率放大器的类型，它的设计原理基于数字信号的处理和模拟功率放大电路的协同工作。
相比于传统的A类、B类、AB类功放，D类功放具有更高的功率效率，更小的尺寸和重量，更好的线性度，以及更低的功率损耗。
下面将详细介绍D类功放的设计原理。
1.PWM调制原理D类功放的核心设计原理是采用脉宽调制（PWM）技术。
PWM是一种通过调整信号的脉冲宽度来控制平均输出功率的方法。
D类功放通过将原始的模拟音频信号转换为数字信号，并通过比较器产生一个与模拟信号频率相同的矩形波，然后根据输入音频信号的幅值调整矩形波的脉宽，最后通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
2.数字信号处理D类功放的设计中需要进行数字信号处理。
首先，输入的模拟音频信号需要经过模数转换器（ADC）转换为数字信号，然后通过数字信号处理器（DSP）进行数字信号的滤波、均衡、增益控制等处理，最后再经过数字模数转换器（DAC）转换回模拟信号。
3.比较器比较器是D类功放中的一个关键组件，用于将模拟音频信号与产生的PWM矩形波进行比较。
比较器的作用是根据输入信号的幅值调整PWM信号的脉宽，从而控制输出功率。
比较器通常由操作放大器和参考电压产生器组成。
4.滤波器在PWM调制之后，需要通过滤波器将调制后的PWM信号转换为模拟音频信号输出。
滤波器的作用是去除PWM信号中的高频分量，保留音频信号的低频成分。
常见的滤波器类型包括低通滤波器和带通滤波器。
5.输出级D类功放的输出级通常采用开关管（如MOSFET）构成。
开关管的特点是具有较低的开通电阻和较高的关断电阻，从而实现更小的功率损耗和更高的功率效率。
输出级通常由多个开关管组成，根据功率需求可以并联或串联排列。
输出级的设计需要考虑电压和电流的控制，包括过电压和过电流的保护。
6.反馈控制为了提高D类功放的线性度和稳定性，通常需要采用反馈控制。
通过对输出信号与输入信号进行比较，调整PWM信号的脉宽和幅值，以使输出信号尽可能接近输入信号。
PWM功率放大电路
PWM功率放大电路本系统采用双极性脉宽调制功率放大器,如图2-7所示。
其中VT1、VT2 为作开关用的大功率晶体管,工作在截止和饱和状态。
当电动机正转工作时, VT1 工作,VT2 不工作;反之当电动机反转工作时, VT2 工作而VT1 不工作。
VD1、VD2 为续流二极管,主要起到保护作用,避免VT1、VT2 被反向击穿。
U4 和U6 为光电耦合器,主要起隔离和抗干扰作用。
调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用方案二。
图2-7 PWM驱动电路原理图直流电动机的PWM调压调速原理对于直流电机而言，其转速表达式为：n=U-IR/Kφ式中 U—电枢端电压；I—电枢电流；R—电枢电路总电阻；φ—每级磁通量；K—电机结构参数（1）电机结构参数由(1)式可得，直流电动机的调速方法可以分为电枢回路串电阻的调速方法、调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法在上述三种方法中。
目前广泛应用的是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值f占空比1来控制电机的转速。
这种方法称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)即PWM控制。
电动机电枢得到的电压波形如图1所示．电压平均值描述为Uav=t1/（t1+t2） Us=t1Us/T=αUs式中 t1—通电时间；T —周期；α—占空比，α= t1/T（2）由(2)式可知，当电源电压不变的情况下，电枢端电压Uav取决于占空比的大小．改变就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。
PWM的名词解释
PWM的名词解释PWM，即脉宽调制（Pulse Width Modulation），是一种在电子工程领域中常见的技术。
它在控制电子设备中功率输出以及速度调节等方面有着广泛应用。
一、什么是PWM？脉宽调制是一种控制技术，通过改变信号的脉冲宽度来控制电路输出的电平。
在PWM中，理论上电路输出总是以高低电平交替出现，但通过改变高电平和低电平之间的脉冲宽度，可以控制电路输出的平均电压或平均功率。
脉宽调制最常见的一种形式是矩形脉冲波，它由固定的周期和可调节的脉冲宽度组成。
脉冲宽度的调节可以在一定的周期内不断变化，从而实现对输出信号的控制。
二、PWM的原理PWM技术的核心原理是基于周期性的脉冲信号。
当脉冲的宽度增加时，电路输出的平均值也会相应增加。
换句话说，脉冲宽度越宽，输出的功率或电压就越高，而脉冲宽度越窄，输出的功率或电压就越低。
具体来说，PWM技术通过不断改变脉冲信号的高电平时间和低电平时间的比例来控制输出信号。
这样做的好处是可以在保证信号稳定性的前提下，精确地调节输出的平均电压或平均功率。
三、PWM的应用领域1. 电机控制：PWM技术广泛应用于电机控制领域。
通过改变PWM脉冲的宽度，可以调节电机的转速。
例如，调速风扇、电动车等就是利用PWM技术来控制电机转速的典型应用。
2. LED调光：PWM技术在LED照明领域也有重要应用，可以通过改变PWM 信号的脉冲宽度来控制LED灯的亮度。
这种方式相对于传统的电阻调光，具有更高的效率和更精确的调节范围。
3. 电源管理：PWM技术在电源管理中也扮演着重要角色。
通过PWM控制器可以实现高效、稳定的电源输出，弥补传统的线性稳压电路的不足。
4. 音频放大：PWM技术也常被应用于音频系统中。
通过控制PWM脉冲的宽度和频率，可以达到高保真度的音频放大效果。
四、PWM的优点与局限性1. 优点：- 精确控制：通过改变脉冲宽度和周期，可以实现对输出信号的精确控制，使其满足特定要求。
脉冲宽度调制型功率放大器的原理
脉冲宽度调制型功率放大器（PWM Power Amplifier）是一种应用广泛的功率放大器，在许多领域都有着重要的作用。
它通过调节信号的脉冲宽度，来控制输出信号的功率。
在这篇文章中，我们将深入探讨脉冲宽度调制型功率放大器的原理，以及其在各个领域的应用。
1. 脉冲宽度调制型功率放大器的基本原理脉冲宽度调制型功率放大器是一种非线性功率放大器，其基本原理是通过控制输入信号的脉冲宽度，来控制输出信号的功率。
在PWM功率放大器中，输入信号通常是一个脉冲信号，其脉冲宽度的变化会直接影响输出信号的功率。
2. PWM功率放大器的工作过程在PWM功率放大器中，输入信号的脉冲宽度是通过开关管或其他调制器件来控制的。
当输入信号的脉冲宽度增大时，开关管的通态时间增加，输出信号的功率也随之增大。
反之，当输入信号的脉冲宽度减小时，输出信号的功率也减小。
通过控制脉冲宽度，可以灵活地调节输出信号的功率。
3. PWM功率放大器的优点和应用PWM功率放大器具有功率利用率高、输出波形质量好、成本低廉等优点，因此在工业控制、通信系统、音频放大器等领域都有着广泛的应用。
在工业控制中，PWM功率放大器常常用于驱动电机、控制照明等；在通信系统中，PWM功率放大器则常用于调制信号的功率放大；在音频放大器中，PWM功率放大器可以提供高保真度的音频输出。
4. 个人观点和结论在我看来，脉冲宽度调制型功率放大器作为一种非常重要的功率放大器类型，在现代技术应用中具有着不可替代的地位。
它不仅在工业控制、通信系统、音频放大器等领域发挥着重要作用，同时也通过其高功率利用率、优质的输出波形等特点，为现代技术的发展提供了强大的支持。
总结而言，脉冲宽度调制型功率放大器的原理是通过调节输入信号的脉冲宽度来控制输出信号的功率。
它在各个领域都有着广泛的应用，且具有诸多优点。
相信随着技术的不断进步，脉冲宽度调制型功率放大器将会在更多的领域发挥作用，为人类社会的进步做出更多的贡献。
PWM_工作原理分析
PWM_工作原理分析PWM（Pulse Width Modulation）是一种电子技术，通过调节脉冲信号的占空比来控制电器设备的输出功率。
PWM的工作原理可以分为三个主要的步骤：输入信号的采样、脉冲信号的生成和输出信号的滤波。
首先，PWM的工作原理需要从输入信号的采样开始。
输入信号可以是任何变化的电压或电流信号，通常是模拟信号。
这个电压或电流信号经过模数转换器（ADC）进行采样，将连续变化的模拟信号转换成数字信号。
采样率将决定PWM输出的精度，采样率越高，输出信号越精确。
接下来，生成脉冲信号。
这个步骤主要由比较器和计数器组成。
比较器将输入信号与一个可调节的基准信号进行比较，根据两个信号的大小关系输出一个高或低电平。
计数器根据比较器输出的电平变化来决定计数的增减。
通过不断地增加计数值，当计数值大于等于设定值时，比较器输出高电平，否则输出低电平。
脉冲信号的频率由计数器的计数速度决定，计数速度越快，脉冲信号的频率越高。
脉冲信号的占空比由计数值与设定值之间的比例关系决定，当计数值小于设定值时，比较器输出低电平，计数值大于等于设定值时，比较器输出高电平。
占空比越高，输出信号的功率越大。
最后，将脉冲信号进行滤波输出。
由于脉冲信号的频率很高，需要通过滤波电路将其转换成模拟信号输出。
滤波电路一般使用低通滤波器，它能删除高频成分，使得输出信号更加平滑。
最后的输出信号可以通过放大器来放大，以控制电器设备的输出功率。
尽管PWM的工作原理看起来很复杂，但实际上可以通过微控制器或专用的PWM芯片来实现。
这些芯片具有内置的比较器和计数器，同时也提供其他功能如频率调节和占空比调节。
可以通过编程或连接外部电阻、电容等元件来调整PWM输出的参数。
PWM具有多种优点，如高效性、精确性和可调控性。
通过调整脉冲信号的占空比，可以灵活地控制电器设备的输出功率，适应不同的应用需求。
同时，PWM可以在数字电路和模拟电路之间进行灵活的转换，使得它在诸如电机控制、电源调节等领域有着广泛的应用。
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P W M功率放大电路 Modified by JACK on the afternoon of December 26, 2020
PWM功率放大电路
——卢浩天
LC梦创电子制作工作室一、PWM功率放大原理
PWM功放电路有单极性和双极性之分。
双极性指在一个PWM周期内，电机电枢电压正、负极性改变一次；单极性指PWM功放管工作时，有一个PWM信号端和一个方向控制端，在电机正转或反转时，仅有对应的一对功放管通电，而另一对功放管截止。
因此，电机电枢在正转或反转时，正、负极性是固定的，即是单极性的。
若忽略晶体管的管压降，可以认为PWM功率放大管的输出电平等于
电源电压，即|
U|=C U。
图1描绘了电枢的电压波形和电流波形。
在图
AB
中，T为PWM脉冲周期，
T为正脉冲宽度，h T为负脉冲宽度。
电枢两端
P
的电流是一个脉动的连续电流，从图可看出，电枢两端的电流是一个脉动的连续电流，加快PWM的切换频率，电流的脉动就变小，结果近似于直流信号的效果，使电机均匀旋转。
同时，如果改变PWM的脉冲的宽度，电枢中的平均电流也将变化，电机的转速便将随之改变，这就是PWM调速的原理。
在图中，PWM脉冲频率决定了电枢电流的连续性，从而也决定了电机运行的平稳性。
如果脉冲频率切换频率选择不当，电机的低速性能有可能不理想，容易烧坏晶体管，而且由于电流不连续，电机有可能产生剧烈震荡，甚至出现啸叫现象，这些都是不允许的。
因此，在设计PWM功率放
大器时，要慎重选择切换频率。
为了克服静摩擦，改善运行特性，切换频率应能使电机轴产生微振，即：
式中，T K 为转矩系数，Φ=M T C K （M C 为电机电磁常数、Φ为励磁磁通），C U 为功放电源，A L 为电枢电感，S T 为电机静摩擦力矩。
另外，选择切换频率具体还应考虑以下几个方面：
（1）微振的最大角位移应小于允许的位置误差。
在伺服系统中，假设要求位置误差小于δ，则要求切换频率满足下式：
式中，J 为电机及负载的转动惯量。
（2）应尽量减小电机内产生的高频功耗。
PWM 脉冲信号的谐波分量将引起电机内部的功耗，降低效率。
为此切换频率应足够高，使电机电枢感抗大大超过电枢内阻，即要求
式中，A R 是电机电枢电阻。
（3）应当远远大于系统的固有频率，防止系统固有振荡。
实际设计时应综合考虑上述条件，在1000Hz 至数万Hz 的范围内选取PWM 切换频率。
特别需要强调的是，由于伺服电机的电枢电感较小，如果频率不够高，交流分量过大，很容易烧毁功放管。
不过功放管的开关频率总有一个限度，对大功率功放管来说，开关频率越高，制造工艺难度越大，成本也越高。
因此，用户要根据自己的实际需要确定有关参数，使自己构建的功率放大器有较高的性能价格比。
二、标准的PWM 功率放大器
图2举出了一个实际的标准双极性PWM 功率放大器。
它是一个典型的H 型功放，四个功放管分别采用NPN 型达林顿管TIP122和PNP 型达
林顿管TIP127。
PWM脉冲信号通过光电耦合器件4N35加到晶体管的输入端。
4N35的作用是把控制电源与驱动电源隔离，以免驱动器电源不稳定影响整个控制系统；同时，4N35的输出端还提供功放管的基极驱动电流。
系统的工作过程如下：当PWM1端变为低电平且PWM2端为高电平时，功放管Q2/Q3导通，Q1/Q4截止，电流从电机两侧的B点流向A 点，此时电机正转；反之，反转。
二极管D1、D2、D3、D4是续流二极管，在晶体管切换时提供电流通路，并联在二极管两端的电阻和电容也起续流作用。
PWM1和PWM2是两路控制信号。
如果加上如图3所示的信号，则构成单极性功放电路。
PWM信号由8051单片机的定时器产生，由P1.0输出。
P1.1的高低电平代表电机的正反转。
四个功放管采用MOS管。
当电机要求正转时，单片机的P1.1输出高电平信号，该信号分为三路：第一路接与门Y1的输入端，使与门Y1的输出由PWM决定，所以开关管Q1栅极受PWM控制；第二路直接与开关管Q4相连使Q4导通；第三路经非门连接到与门Y2的输入端，使与门Y2的输出为0，结果开关管Q2截止。
从非门输出的另一路信号与开关管Q3的栅极相连，其低电平信号也将使Q3截止。
类似地，电机要求反转时，单片机P1.1输出低电平信号，各功放管的导通与截止与电机正转时正好相反。
双极性PWM电路中，PWM1和PWM2两路控制信号通常不是严格对称的，造成切换过程中有一个小的时间延迟
T，如图4所示。
W T实际上
W
是功率管的开关时间，考虑时间延迟的目的是为了防止H桥同侧的功放管在开关切换时短路。
三、集成PWM功率放大器
目前，针对中小功率的PWM功放电路已经有现成的集成分立器件出售，由于所有的PWM功能集成在一块芯片上，使得这些集成分立器件可靠性高，性能好，使用方便。
对于初学者而言，调定功放电路元器件各种参数既麻烦又需要经验，然而集成PWM功放器件的出现，简化了问题。
下面以美国国家半导体公司的LMD18245为例来说一下。
LMD18245是采用DMOS工艺的H桥PWM集成功放电路芯片，专供直流电机或步进电机驱动，共有15个引脚，T-220封装。
图5是该芯片的外形和引脚图。
电源电压范围为12—55V，额定电流3A，峰值电流
6A。
图5：LMD18245外形和引脚
图6是LMD18245的内部结构图。
BRAKE和DIRECTION两个控制信号的组合决定芯片工作于单极性PWM还是双极性PWM。
表1描述了这两种组合对应的DMOS管的导通情况。
在表1中，MONO为电流监测信号，如不考虑它的影响，在BRAKE端加上PWM信号，在DIRECTION 端加上一个固定电平，则LMD18245工作在单极性PWM方式；反之，如果在BRAKE端加上低电平，在DIRECTION端加上PWM脉冲，则LMD18245工作在双极性平PWM方式。
从图6的内部结构来看，该芯片内部带有电流反馈控制电路，为保证电流反馈电路正常工作，必须在CS OUT端接一个电流取样电阻到地，该电阻值R决定了电压比较器
（COMPAPATOR ）“-”端电压值-V 。
该电压计算公式为：
()610250--⨯⨯Ω=R V V 。
电压比较器的“+”端电压+V 的计算公式为：
16
D V V DACREF ⨯=+ V 。
式中DACREF V 是参考电压，D 是0—15的常数，由M1—M4决定。
用户可以根据需要来设置M1—M4的大小，从而限制电机的电枢电流。
图6：LMD18245内部结构原理图
表1中MONO 表示单稳态触发器的状态，若电机电枢超过用户设定值，MONO 变为低电平；正常工作时，MONO 为高电平。