一种工频正弦平顶波功率电源的研究

运算放大器内部元件，尤其是输入级的两个晶体管特性不均衡引起的。PA52输入失调电压高达5 mV，为了实现电源的高精度，设置前置低压误差放大器OP07来获得较小输入偏置电压，将输入失调电压降到75 μV以下。后置功率放大器PA52的目的是为了获得大输出功率特性。两个放大环节串联组成复合式负反馈放大电路，输出电阻非常小，因此具有较强的带负载能力。

PA52功率放大芯片提供了独立的输入级供电电源引脚±Vb和输出级供电电源引脚±Vs，输入级供电电源可以比输出级高，从而使得输出电压接近电源电压，获得更大的功率[7]。
D1、D2和D5、D6是高速开关二极管，将运放输入端限制在0.7 V，对运放起输入保护作用。D3、D4和D7、D8是快速恢复二极管，可以使瞬态高压信号通过二极管从电源旁路流向大地，从而保护功率放大器的输出端。同时在电源旁路增加两个瞬态抑制器（TVS），其反向电压应该略大于放大器正常工作峰值电压，从而防止从快速恢复二极管流进电源旁路的瞬态高压信号对电源造成破坏[8]。
R2、R5和R3、R4是反馈电阻，分别决定功率放大部分和PA52的放大倍数。反馈电阻为低温漂的高精密电阻，使电路放大倍数准确且变化较小。
R1和C1构成噪声增益相位补偿电路，R5并联C2构成反馈零点相位补偿电路，来提高功率放大器的稳定性。
2.3 电流限制
限流装置采用基于霍尔效应的线性电流传感器ACS712，将采样电流转换成模拟电压输出，并且可以很方便地调节过流信号临界点，电流测量范围可达±30 A[9]。它的基本原理是:当通过ACS712引脚1和2到引脚3和引脚4的电流不断上升时，ACS712引脚7的输出电压随之不断增加，当大于比较器LM393引脚2设定的电压值的时候，比较器LM393的输出从低电平变为高电平，RS触发器Q非端从高电平立刻变为低电平，单片机控制系统检测到引脚P3.2电平的下降沿，采取相应的保护策略，立刻关闭信号发生器的输出，功率放大器的输出也随之下降，输出电流减小，从而起到限流作用。信号发生器关断后，需要通过按键发出清除命令，信号发生器才可继续工作。如图5所示。

2.4 采样反馈
为进一步提高输出精度，本电源还增加了电压闭环控制。对输出电压值进行电阻分压后，再用峰值检测电路获得平顶波电压的峰值，经过AD转换，得到电压反馈值Vf。单片机比较电压给定值Vp和反馈值Vf计算出误差，采用数字增量PID算法进行控制，改变控制器输出值，使输出电压幅值做相应的变化，从而实现电压源的闭环控制。
3 实验结果
图6给出了输出电压波形，最大幅值为80 V。从图中可以看出波形无交越失真，非线性失真小。

从表中可见，输出电压存在0.5%左右的误差。原因在于D/A的转换误差和功率放大电路受外界噪声干扰引起的输出电压幅值的波动。输出频率的偏差则主要受晶振的稳定性和印制电路板对系统电路的影响。
3.2 负载调整率测试
为衡量电压源的动态性能，在电压源运行过程中动态地投入或切除负载(大功率电阻) ，并逐个记录电压幅度值。表2为给定输出电压幅值为80 V时，不同负载对应的实际电压值，由该表可知在负载发生变化时，输出电压均能保持0.375%的稳定度。

本文的创新点在于基于单片机控制，设计了工频正弦平顶波功率源，输出电压可以根据需求在输入面板上键入数值，实现输出电压任意调节，并且电压波形精度高；运行稳定可靠，能耗小，可以长期运行。该功率源最大输出功率可达上千瓦，完全满足火花间隙测试要求；实用价值高，只需修改代码即可成为能产生任意波形的电压功率源。
参考文献
[1] 周孝信，郭建波，林继明，等．电力系统可控串联补偿[M]． 北京：科学出版社，2009．
[2] 中国电力科学研究院．串补装置火花间隙误动作调研报告[R]．北京：中国电力科学研究院，2009．
[3] 潘景良．程控任意波形功率驱动电源的研制[D]．南京：南京理工大学，2004．
[4] 吕勇军．应用大功率PA03的程控三相功率源[J]．电源技术应用，2004，13（10）：35－38．
[5] 张玉宝，曹会云，张滨．基于单片机的数控恒流源的设计[J]．电测与仪表，2011，48(546)：75-78．
[6] Apex Microtechnology Corporation.Power oprational amplifiers[EB/OL]．[2011-03-08].http://www.apexanalog.com/wpcontent/uploads/2012/08/apexpoweropamps_0811-2.zip.
[7] Apex Microtechnology Corporation.General operating considerations[EB/OL]．[2012-10-22].http://www.apexanalog.com/wp-content/uploads/2012/10/AN01U_J.pdf.
[8] Allegro Microsystems Corporation.ACS712 datasheet[EB/OL]． [2006-07-25].http：//www.allegromicro.com/searchresults.aspx?q=ACS712-Datasheet．