一種脈寬調(diào)制功率放大器的研制

楊路華

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

本文設(shè)計了一種脈寬調(diào)制功率放大器，用于有刷電機(jī)控制、活動磁懸浮線圈驅(qū)動以及磁性線圈驅(qū)動等。該產(chǎn)品是將PWM調(diào)制信號進(jìn)行隔離放大，加入死區(qū)時間，產(chǎn)生四路驅(qū)動信號，分別驅(qū)動H橋的4個功率MOS管和后級負(fù)載電路正常工作，輸出電壓的大小與PWM信號的占空比有關(guān)。

1 產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

該產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作電壓VCC1=25～31 V，VCC2=（5±1） V；零輸出電流≤0.2 A；效率≥90%；控制輸入電壓為5 V TTL；時鐘頻率≤6 kHz；輸出峰值電流≥5 A；輸入輸出隔離電壓≥500 V；輸入輸出隔離電流≤10 μA；占空比為2%～98%；外形尺寸最大為97 mm×47 mm×19 mm；工作溫度TC的范圍為-55～+125 ℃；常溫通電壽命≥2 800 h。

2 設(shè)計方案

2.1 電路設(shè)計及工作原理

脈寬調(diào)制功率放大器由PWM信號輸入及隔離、使能控制信號輸入及隔離、后級4.7 V供電電路、脈沖整形、180°脈寬產(chǎn)生電路、死區(qū)產(chǎn)生電路、MOS管驅(qū)動電路、H橋功率輸出電路以及輸出濾波電路組成[1-3]。電路原理框圖見圖1。

圖1 電路原理框圖

PWM信號輸入隔離使用高速光電耦合器隔離，隔離電壓≥1 000 V，使能控制輸入信號隔離使用普通光電耦合器隔離，隔離電壓≥1 000 V，4.7 V供電電路為了給后級數(shù)字電路提供工作電壓，采用了簡單的穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)，脈沖整形電路用數(shù)字電路反向器使信號的幅度、上升時間以及下降時間達(dá)到后級要求，180°脈寬產(chǎn)生電路利用數(shù)字電路使信號移相180°滿足后級的要求，死區(qū)產(chǎn)生電路由一個反向器、電容以及與門組成，延遲時間約200 μs，以保證H橋橋臂的上端功率MOS管與下端功率MOS管不會同時導(dǎo)通。

MOS管驅(qū)動電路如圖2所示，用一只三極管驅(qū)動下端功率MOS管，兩只三極管驅(qū)動上端功率MOS管。其原理為前級輸出PWM信號以互補(bǔ)的方式分別輸入到三極管Q1和Q3的基極，此時當(dāng)Q1基極輸入信號為低電平時Q1關(guān)斷，Q2基極電壓和發(fā)射極電壓相同，Q2截止，P溝道MOS管Q5柵極電壓由電阻R9和R10分壓確定，通過設(shè)計合適的電阻值，P溝道MOS管柵源電壓達(dá)到導(dǎo)通條件，Q5漏源導(dǎo)通。同時，由于此時為互補(bǔ)信號，因此Q2基極輸入信號為高電平，Q2導(dǎo)通，N溝道MOS管Q4柵源電壓為0 V，Q4關(guān)斷，在Q5導(dǎo)通Q4關(guān)斷的條件下，輸出為高電平。反之，當(dāng)Q1基極信號為高電平時Q1導(dǎo)通，Q2基極電壓由電阻R7和R8確定，設(shè)計合適的電阻值，Q2導(dǎo)通，此時Q5柵源電壓為0 V，Q5關(guān)斷。由于為互補(bǔ)信號，因此Q3基極電壓為低電平Q3關(guān)斷，Q4柵源電壓由電阻R13和R14分壓確定，設(shè)計合適的電阻值，Q4導(dǎo)通，在Q4導(dǎo)通Q5關(guān)斷的條件下，輸出為低電平。

H橋功率輸出電路由4只功率MOS管組成，上管為P溝道MOS管，下管為N溝道MOS管。工作時，Q5和Q10導(dǎo)通時，Q4和Q11截止，Q4和Q11導(dǎo)通時，Q5和Q10截止[4]。輸出濾波電路起平滑電流和抑制尖脈沖的濾波作用。

脈寬調(diào)制功率放大器的工作原理為輸入的脈寬調(diào)制PWM信號經(jīng)過高速光電耦合器隔離，再經(jīng)過脈沖整形電路整形后送入后級，由死區(qū)產(chǎn)生電路形成約200 μs的延遲時間，一路送入驅(qū)動電路驅(qū)動相應(yīng)的功率MOS管工作，一路送入180°脈寬產(chǎn)生電路得到需要的脈沖送入驅(qū)動電路驅(qū)動相應(yīng)的功率MOS管工作。另外由MOS管H橋輸出與輸入信號相對應(yīng)的方波信號，由濾波電路濾波，輸出直流電壓帶動負(fù)載工作。

使能控制信號為低電平有效，此時電路正常工作。當(dāng)使能控制信號為高電平時，光耦U4的C極輸出為高電平，U1B輸出也為高電平，使得Q6的C極輸出為低電平。經(jīng)過二極管V4將Q7的C極PWM信號鉗位到低電平后，上橋臂功率MOS管Q11不工作，電路無輸出。內(nèi)部的+4.7 V電源由R4、V1、C3以及C4組成，為U1、U2、U3以及U4提供穩(wěn)定的工作電壓。

2.2 結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計和可靠性設(shè)計

圖2 電路原理圖

根據(jù)功率電路的工藝要求，引出端應(yīng)采用專用接插件從殼體側(cè)面引出，具有防插錯設(shè)計。殼體底面設(shè)計有4個安裝孔，便于固定。殼體材料定為鋁，導(dǎo)熱率高且重量輕。殼體表面鍍鎳，增強(qiáng)對環(huán)境的適應(yīng)能力。腔體式結(jié)構(gòu)有助于防止組裝過程中對電路的損傷。此外，在組裝工藝方面采用了厚膜和PCB板工藝相結(jié)合的方式。功率發(fā)熱部分主要為H橋的4個大功率管，將其再流焊到陶瓷基板上，陶瓷基板再流焊到外殼底座上。控制電路部分主要貼裝在PCB板上，PCB板用螺絲固定到外殼上并用膠固定[5]。

該產(chǎn)品為功率器件，影響產(chǎn)品可靠性最大的因素為產(chǎn)品熱設(shè)計的合理性。要使發(fā)熱源的發(fā)熱量減為最小，因此要選用導(dǎo)通電阻小的功率MOS管。其次為了降低熱阻，基板選用散熱性能好的96% Al2O3陶瓷基板，厚度為1.0 mm，底座選用良導(dǎo)熱的鋁底座（導(dǎo)熱率為237 W/m·K），有利于將電路產(chǎn)生的熱量迅速傳遞到外界環(huán)境中。先將功率MOS管焊接在陶瓷基板上，再將陶瓷基板芯組焊接在底座上，焊接空洞率要求控制在5%以內(nèi)，這樣就將整個電路的熱阻降到最小，從而提高產(chǎn)品的可靠性。最后陶瓷基板導(dǎo)體采用鈀銀材料，保證焊接可靠，而且要求導(dǎo)帶的厚度≥40 μm，寬度≥2 mm，通過大電流的導(dǎo)帶應(yīng)盡量短。根據(jù)可靠性預(yù)計理論計算，該產(chǎn)品的平均故障間隔時間為9.1×104h。

3 技術(shù)難題及解決措施

3.1 產(chǎn)品發(fā)熱問題

初樣產(chǎn)品測試過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品發(fā)熱，效率低于90%，經(jīng)分析是由于MOS管在工作時損耗超出預(yù)期造成的。前期MOS管選型時，已針對其導(dǎo)通電阻進(jìn)行了計算和選擇，因此在解決該問題時可以先排除MOS管選型問題。在驅(qū)動能力方面，前級驅(qū)動信號通過放大，驅(qū)動能力大于2 A，不存在驅(qū)動能力不足問題。另外由于該產(chǎn)品核心是H橋驅(qū)動電路，當(dāng)電路處于開關(guān)狀態(tài)時要防止其共態(tài)導(dǎo)通，保護(hù)電源，使其工作在安全狀態(tài)下，因此應(yīng)在電路中加入死區(qū)時間設(shè)計，使輸入信號與柵極驅(qū)動輸出之間的傳播延遲時間不一樣。針對現(xiàn)存的產(chǎn)品發(fā)熱現(xiàn)象，初步懷疑是死區(qū)時間設(shè)計不合理造成了MOS管損耗超出預(yù)期。通過分析波形，調(diào)整死區(qū)時間，使其開啟時間大于120 ns，關(guān)斷時間為95 ns，產(chǎn)生大于25 ns的死區(qū)時間，然后進(jìn)行試驗驗證產(chǎn)品的發(fā)熱問題得到了解決[6]。

3.2 輸出電壓不對稱問題

在樣品調(diào)試過程中出現(xiàn)輸出電壓不對稱現(xiàn)象時，通過逐層對比分析各點的波形，發(fā)現(xiàn)是PWM信號經(jīng)過光電耦合器后，由于PWM波的上升時間和下降時間長造成的。經(jīng)過理論分析和試驗對比驗證可知，該問題是由隔離輸入信號的光電耦合器速度慢引起的，將其換成高速光電耦合器后問題得以解決。

3.3 常溫通電壽命的經(jīng)濟(jì)性驗證問題

該產(chǎn)品要求常溫通電壽命要大于2 800 h（約為117天），時間很長，在實際操作中經(jīng)濟(jì)性很差，因此需要對其進(jìn)行分析，找到一種經(jīng)濟(jì)性的替代驗證方法。GJB 548B方法1005規(guī)定的穩(wěn)態(tài)壽命時間與溫度的對應(yīng)關(guān)系和根據(jù)規(guī)律推算的穩(wěn)態(tài)壽命時間與溫度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)壽命時間與溫度的對應(yīng)關(guān)系

在表1中，125 ℃環(huán)境下加載通電需要1 000 h，120 ℃環(huán)境下加載通電需要1 500 h，相差500 h，115 ℃環(huán)境下加載通電需要2 000 h，110 ℃環(huán)境下加載通電需要3 000 h，相差1 000 h，以此類推在85 ℃環(huán)境下加載通電需要33 500 h，由此可以推算出當(dāng)產(chǎn)品在125 ℃環(huán)境下加載通電1 000 h時，可以滿足常溫通電壽命要大于2 800 h的要求。

4 協(xié)議和實測電特性對比

根據(jù)對樣品的測試，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)到情況見表2。

5 結(jié) 論

本次設(shè)計的一種脈寬調(diào)制功率放大器具有瞬時功率大、效率高、隔離度高、驅(qū)動電流大、輸入信號范圍寬、體積小以及重量輕等特點，主要用于電機(jī)驅(qū)動。在航空、航天以及國防建設(shè)事業(yè)，大型系統(tǒng)的方向控制、姿態(tài)控制以及角度控制等直流伺服電機(jī)驅(qū)動中就需要用到脈寬調(diào)制功率放大器，應(yīng)用前景非常廣闊。該產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，也必然帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 協(xié)議和實測電特性對比