一种脉冲调制信号功率放大装置的制作方法

本实用新型涉及整车和零部件电磁兼容测试领域，特别涉及一种脉冲调制功率放大装置。

背景技术：

随着汽车产业的飞速发展，车载电器装备技术也有了长足的进步。越来越多的PWM(脉冲调制)信号在各类控制器和执行器中得到应用。PWM信号可以为控制器和执行器提供触发信号识别、逻辑功能控制或者功率驱动等，但是，车载各类控制器和执行器的电路由于设计不规范，可能会影响控制器和执行器对PWM触发信号的识别，对PWM信号频繁快速开关处理不当，进而导致电磁辐射通过连接各用电器的线束向外界产生扩散，严重影响整车的电磁兼容性能。

为了测试车载电器的电路电磁兼容性，用可以模拟整车条件下的PWM信号的脉冲信号发生装置，来模拟车载电器在完全工况下的电磁兼容测试，但是，目前市面上的脉冲调制信号功率放大装置存在易引入电磁干扰的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种脉冲调制信号功率放大装置，适用于模拟车载电器在完全工况下完成整车和零部件的电磁兼容测试。该装置能模拟所有车载电器需要的PWM信号，输出频率和占空比可调，延时小，响应快，能够为车载电器提供足够的驱动功率，且本身不引入电磁干扰，且能提供符合电磁兼容测试要求的A类上升下降沿供电信号。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种脉冲调制信号功率放大装置，包括电气功能部和屏蔽外部电磁干扰的壳体，所述电气功能部设在所述壳体内，所述电气功能部包括依次电性连接的驱动信号接收单元、功率驱动单元、功率开关单元及滤波单元；其中，

所述驱动信号接收单元，接收脉冲调制信号的外部模拟驱动信号；

所述功率驱动单元，将外部模拟驱动信号同频放大，输出带有负压的驱动信号；

所述功率开关单元，内置一绝缘栅双极性三极管(Q2)，所述三极管(Q2) 基极接收带有负压的驱动信号，所述三极管(Q2)集电极连接外部直流信号；所述功率开关单元通过对所述带有负压的驱动信号同频快速通断，实现所述外部直流信号斩波形成脉冲功率信号；

所述滤波单元，调整脉冲功率信号的上升沿时间，并消除下降沿的瞬时过冲得到测试用脉冲调制信号。

优选的，所述驱动信号接收单元包括三极管(Q1)和电阻(R1)，其中，

所述电阻(R1)耦接于所述三极管(Q1)发射极与地(GND1)之间，外部模拟驱动信号耦连于所述三极管(Q1)基极，所述三极管(Q1)被配置为工作在开关区。

优选的，所述功率驱动单元包括电阻(R2)，稳压管(Z1)，稳压管(Z2)，电解电容(C1)，电解电容(C2)和驱动芯片(U1)，其中，

所述电阻(R2)耦接于第一外部电源的正极与所述驱动芯片(U1)之间，所述稳压管(Z1)正极耦接于所述稳压管(Z2)正极，所述稳压管(Z2)负极耦接于所述电解电容(C1)正极，所述电解电容(C1)负极耦接于所述电解电容(C2)负极和地(GND2)，所述电解电容(C2)正极耦接于第二供电电压(VCC2)；所述驱动芯片(U1)的功能性引脚还分别耦接于所述NPN型三极管(Q1)的集电极、所述稳压管(Z1)负极、所述稳压管(Z2)负极、所述电解电容(C1)负极、所述电解电容(C2)正极。

优选的，所述功率开关单元还内置一续流二极管(D3)，所述三极管(Q2) 基极耦接于所述稳压管(Z1)负极,所述三极管(Q2)集电极连接所述二极管(D3)负极及外部直流信号，所述三极管(Q2)的发射极耦接于所述稳压管 (Z2)负极和所述二极管(D3)正极，所述三极管(Q2)工作在开关区。

优选的，所述滤波单元包括电容(C3)，所述电容(C3)正极耦接于所述三极管(Q2)发射极和装置外部输出端，所述电容(C3)负极耦接于装置外部地。

优选的，所述脉冲调制信号功率放大装置还包括故障监测单元，实时监测所述功率开关过电流情况，并输出故障报警信号。

进一步的，所述故障监测单元包括快恢复二极管(D1)，电阻(R3)，电阻 (R4)，光电隔离芯片(U2)，所述光电隔离芯片(U2)内置有发光二极管(D4) 和三极管Q3，所述二极管(D1)耦接于所述驱动芯片(U1)与所述三极管 (Q2)集电极之间，所述电阻(R3)耦接于所述驱动芯片(U1)与发光二极管(D4)正极的引脚之间，发光二极管(D4)负极的引脚耦接所述驱动芯片 (U1)，所述三极管(Q3)发射极的引脚耦接于地(GND1)，所述三极管(Q3) 集电极的引脚通过电阻(R4)耦接于第一供电电压(VCC1)。

优选的，所述脉冲调制信号功率放大装置还包括保护单元，所述保护单元包括芯片(U3),所述芯片(U3)供电引脚耦接第一工作电压(VCC1)，所述芯片(U3)的输入引脚耦接外部PWM信号输入，所述芯片(U3)的输出引脚耦接所述驱动信号接收单元三极管(Q1)基极，所述芯片(U3)使能端耦接所述光电隔离单元三极管(Q3)集电极。

优选的，所述脉冲调制信号功率放大装置还包括供电单元，所述供电单元通过DC-DC升压电路，为所述功率驱动单元提供所需供电电压。

具体的，所述供电单元包括电解电容(C4)，电感(L1)，二极管(D2)，调压芯片(U4)，电阻(R5)，电阻(R6)，可调电阻(R7)，电阻(R8)及电解电容(C5)；

所述电容(C4)正极耦接于第二外部电源正极，所述电容(C4)负极耦接于所述第二外部电源负极，所述第二外部电源负极耦接于地(GND2)，所述电感(L1)耦接于所述电容(C4)正极和所述二极管(D2)正极之间；所述调压芯片(U4)的功能性引脚分别耦接于所述电容(C4)的正极、所述二极管(D2)正极、所述可调电阻(R7)的中间端及地(GND2)；所述可调电阻(R7)的一端耦接于所述二极管(D2)的负极，另一端通过所述电阻(R8) 耦接于地(GND2)；所述电容(C5)正极耦接所述二极管(D2)负极并且输出第二供电电压(VCC2)，所述电容(C5)负极耦接地(GND2)，所述电阻 (R5)一端耦接第一外部电源正极，另一端串联所述电阻(R6)后耦接第一外部电源负极，所述第一外部电源负极耦接于地(GND1)，电阻(R5)与电阻(R6)之间输出第一供电电压(VCC1)。

与现有技术相比，本实用新型提供的脉冲调制信号功率放大装置具有以下有益效果：

本实用新型提供的脉冲调制信号功率放大装置，接收所述脉冲调制信号的外部模拟驱动信号，并可以为功率驱动单元提供所需的输入高阻电气特性，使其可以正常工作；功率驱动单元，将接收的模拟驱动信号同频放大,输出带有负压的典型驱动信号，与普通驱动信号相比，带有负压的驱动信号可以保证功率开关单元有效触发通断，使功率开关模块同频实现快速且彻底的通断，并同频实现快速通断，将外接的直流供电信号斩波，得以获得脉冲功率信号，滤波模块调整功率开关单元得到的脉冲功率信号的上升沿时间，并消除下降沿的瞬时过冲，获得上升沿和下降沿较为缓和的脉冲功率信号，可以滤除不必要的电磁干扰，实现装置输出与整车脉冲功率信号发生器输出信号一致，并符合电磁兼容测试对信号上升沿下降沿时间的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置的模块框图；

图2为本实用新型实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置的具体电路图；

图3a～图3b为本实用新型实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置的输出脉冲上升沿与下降沿波形测试结果示意图；

图4a～图4d为本实用新型实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置的电源线传导发射电磁辐射测试结果示意图；

图5a～图5d是本实用新型的一种脉冲调制信号功率放大装置的辐射发射电磁辐射测试结果示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实用新型实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置，包括一屏蔽壳体，用于保护其内部电器功能部免受外部电磁干扰，该装置还包括电器功能部，电气功能部设在壳体内，包括依次电性连接的驱动信号接收单元、功率驱动单元、功率开关单元及滤波单元。

参照图1，本实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置，该装置接收外部PWM输入信号，经过保护单元，连接到驱动信号接收单元，驱动信号接收单元将驱动信号做好匹配处理后连接到功率驱动单元，功率驱动单元将外部的驱动信号同频放大，输出带有负压的驱动信号，高电平为+15V，低电平为-5V，保证功率开关单元有效触发通断，使得在输出端零件端口处获得脉冲功率信号。滤波单元使得脉冲信号的输出平滑，模拟整车脉冲功率控制器的输出，能满足零件在正常工况下进行电磁兼容测试，装置本身不引入电磁干扰，符合电磁兼容测试要求。

故障检测单元通过快恢复二极管检测功率开关集电极电压，并通过光电耦合芯片输出故障报警信号，保护单元识别故障报警信号，切断外部PWM输入信号的路径，DC-DC供电模块，通过DC-DC升压电路，为装置内功率驱动单元提供所需供电电压，保证装置正常工作。

实施例二

参照图2，本实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置，驱动信号接收单元包括NPN型三极管Q1和电阻R1，三极管Q1的集电极耦接于功率驱动芯片U1的引脚14，电阻R1耦接于三极管Q1发射极与接地点(GND1) 之间，保护单元输出信号耦连于NPN型三极管Q1基极以输入脉冲调制信号的外部模拟驱动信号。其中，三极管Q1被配置为工作在开关区，Q1选择8050 型三极管，该三极管Q1工作在开关区，电阻R1使用100Ω，驱动信号接收单元用于接收脉冲调制信号的外部模拟驱动信号，并提供功率驱动单元所需的输入高阻电气特性。

继续参照图2所示，所述功率驱动单元包括电阻R2，稳压管Z1，稳压管 Z2，电解电容C1，电解电容C2和驱动芯片U1。电阻R2耦接于第一外部电源，即外部电源1的正极与驱动芯片U1之间，稳压管Z1正极耦接于稳压管 Z2正极，稳压管Z2负极耦接于电解电容C1正极，电解电容C1负极耦接于电解电容C2负极和地，电解电容C2正极耦接于第二供电电压VCC2；驱动芯片U1的引脚14耦接于NPN型三极管Q1的集电极，驱动芯片U1的引脚 3耦接于稳压管Z1负极，驱动芯片U1的引脚1耦接于稳压管Z2负极，驱动芯片U1的引脚9耦接于电解电容C1负极，驱动芯片U1的引脚2耦接于电解电容C2正极。

考虑本装置的应用环境，选择驱动芯片型号为EXB841，可以驱动各类典型的IGBT(绝缘栅双极性三极管)，电阻R2是为了能为功率驱动单元15脚提供10mA的工作电流，因此可以选择电阻值为1kΩ。当外界PWM信号输入是高电平时，触发Q1导通，此时脉冲开关单元的14脚为低电平，驱动芯片 U1的15脚为高电平，形成脉冲信号高电平；同理当外界PWM信号输入是低电平时，Q1关断，此时脉冲开关单元的14脚为高电平，驱动芯片U1的15 脚为高电平，形成脉冲信号低电平。稳压管Z1和Z2分别选用15V/1W和 5V/1W参数，按图2中接法可以在IGBT的基极和发射极之间产生+15V和-5V 的触发脉冲，+15V可以保证IGBT完全导通，-5V可以保证IGBT彻底关断。电解电容C1并联在驱动芯片U1接地的引脚9和功率开关单元三极管Q2的发射极之间，消除功率开关内部寄生电容的影响，选择47UF/35V。电解电容 C2并联在驱动芯片U1接电源VCC2的引脚2和接地的引脚9之间，对电源进行滤波，选择47UF/35V。可见，功率驱动单元，将接收的模拟驱动信号同频放大,输出带有负压的典型驱动信号。

继续参照图2所示，功率开关单元内置绝缘栅双极性三极管Q2和一个续流二极管D3，三极管Q2集电极除连接二极管D3负极及装置外部输入端(直流信号)外，还连接故障检测单元；三极管(Q2)的发射极耦接于稳压管Z2 负极和二极管D3正极，绝缘栅双极性三极管Q2工作在开关区，三极管Q2 基极耦接于稳压管Z1负极和驱动芯片U1的引脚3接收带有负压的驱动信号，集电极连接外部直流信号和二极管D3负极，发射极耦接于驱动芯片U1的引脚1和二极管D3正极，功率开关单元通过对所述带有负压的驱动信号同频快速通断，实现所述外部直流信号斩波形成脉冲功率信号，并通过发射极输出。

继续参考图2所示，滤波单元包括第三电容C3。滤波电容C3正极耦接于功率开关发射极和装置外部输出端，滤波电容C3负极耦接于装置外部地。综合考虑输出信号的上升沿时间，并消除下降沿的瞬时过冲，滤除不必要的电磁干扰，实现装置输出与整车脉冲功率信号发生器输出信号一致，并符合电磁兼容测试对信号上升沿下降沿时间的要求，该输出脉冲信号不同于一般方波脉冲信号，其上升沿和下降沿较为缓和，且下降沿不会因反向过冲产生毛刺信号，利用公式|dU/dt|<200mV/uS，设计电容值为330uF/45V。

继续参考图2所示，故障检测单元包括快恢复二极管D1，电阻R3，电阻 R4，光电隔离芯片U2，光电隔离芯片U2内置有发光二极管D4和三极管Q3，二极管D1耦接于驱动芯片U1与三极管Q2集电极之间，电阻R3耦接于驱动芯片U1引脚2与发光二极管D4正极的外接引脚1之间，发光二极管D4负极的引脚3耦接驱动芯片U1引脚5，三极管Q3发射极的引脚3耦接于地GND1，三极管Q3集电极的引脚3通过电阻R4耦接于第一供电电压VCC1。

快恢复二极管D1不断的监测功率开关单元三极管Q2的集电极，当功率开关单元出现过电流时，影响功率驱动芯片U1引脚6的电位，进而导致功率驱动芯片U1引脚2输出故障信号，故障信号经过电阻R3流入光电隔离芯片 U2，使其内置的发光二极管D4导通。选用R3为3.6K/2W电阻。故障信号使得光电隔离芯片U2的4脚至3脚导通，导致保护单元芯片U3的使能端EN 被拉低，进而起到保护作用。电阻R4此时可选用1kΩ/1/8W。即故障检测单元实时监测功率开关是否出现过电流情况，如发生过流情况，故障检测单元立即输出故障报警信号。

继续参照图2所示，保护单元包括芯片U3。芯片U3电源脚VCC耦接外部电源1正极，芯片接地脚GND耦接外部电源1负极，芯片IN脚耦接外部 PWM信号输入，芯片OUT脚耦接驱动信号接收单元，芯片EN脚耦接光电隔离单元4脚。U3选用缓冲器，他可以提高外部PWM输入信号的带载能力，而且响应速度快，保证从U3输出的信号无延时。另外，U3的使能端EN连接到故障检测单元的输出(U2的引脚4)，当出现故障报警时U2单元4脚导通至地，U3使能端EN被拉低，U3停止工作，从而切断外部PWM信号向脉冲接收单元三极管Q1基极的输入，保护整个装置。设置保护单元，实时检测故障报警信号，当正常工作时，外部PWM输入信号经保护单元输入给驱动信号接收单元；当检测到报警信号，立即切断外界PWM输入信号的输入，阻止功率开关单元在发生过电流的情况下工作，有效保护功率开关单元和外部零件。

继续参照图2所示，供电单元包括电解电容C4，电感L1，二极管D2，调压单元U4，电阻R5，电阻R6，可调电阻R7，电阻R8，电解电容C5。电容C4正极耦接于第二外部电源，即外部电源2正极，电容C4负极耦接于外部电源2负极及地GND2，电感L1耦接于电容C4正极和二极管D2正极之间；调压芯片U4的引脚4耦接于电容C4的正极，调压芯片U4的引脚3耦接于二极管D2正极，调压芯片U4的引脚5耦接于可调电阻R7的中间端，调压芯片U4的引脚1耦接于地GND2；可调电阻R7的一端耦接于二极管D2 的负极，另一端通过电阻R8耦接于地GND2；电容C5正极耦接二极管D2 负极并且输出第二供电电压VCC2，电容C5负极耦接地GND2，电阻R5一端耦接外部电源1正极，另一端串联电阻R6后耦接外部电源1负极，电阻 R5与电阻R6之间输出第一供电电压VCC1。

其中电解电容C4起到滤波稳压的作用，可以选择220uF/35V规格。外部电源2的电压为+12V，功率驱动芯片U1所需的直流供电电压是+20V，调压单元U4起到升压的作用，输出功率驱动芯片U1所需的+20V电压，选用升压模块，配合升压模块典型外围电路，电感L1选用33uH/4A电感，二极管 D2选用1N5824，电阻R7为可变电阻，通过调整R7阻值，可选最大阻值10KΩ，可在输出端获得所需的+20V电压。R8阻值可选330Ω，输出滤波电容C5可选100uF/50V。电容C5正极耦接所述二极管D2负极并且输出电压VCC2耦接于驱动芯片U1的引脚2,所述电容C5负极耦接外部电源2负极，所述电阻 R5一端耦接外部电源1正极，另一端串联所述电阻R6后耦接外部电源1负极，电阻R5与电阻R6之间输出电压VCC1耦接所述芯片U3的引脚VCC和电阻R4,电阻R5和R6起到分压作用，将外部电源1的+12V电压分压，为保护单元U3和故障检测单元芯片U2提供+5V的供电电压。

实施例三

图3a～图3b为本实用新型实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置的输出脉冲上升沿与下降沿波形测试结果示意图。其上升沿时间为90.87uS，下降沿的时间为2mS，满足电磁兼容测试中对脉冲信号上升沿和下降沿的要求，|dU/dt|<200mV/uS。上升沿很光滑，没有出现电压过冲和电压突变的情况，下降沿也没有出现电压反向震荡的情况，完全满足电磁兼容的测试要求。

实施例四

参照图4a～图4d为本实用新型实施例提供的一种脉冲调制信号功率放大装置的电源线传导发射电磁辐射测试结果示意图。将所设计的脉冲功率放大装置输出端串入纯电阻性负载，利用线性阻抗网络LISN测试所设计装置沿电源线的传导辐射。外部输入PWM信号为1.25Hz，占空比50％的脉冲信号。可以看到所有的测试结果都选低于限值，且满足电磁兼容测试的要求，本底信号低于限值6dB，并未引入额外的电磁干扰，可以良好的用于电磁兼容测试中。

实施例五

图5a～图5d是本实用新型的一种脉冲调制信号功率放大装置的辐射发射测试结果示意图。将所设计的脉冲功率放大装置输出端串入纯电阻性负载，利用CISPR25标准要求完成测试搭建，测试所设计装置的辐射发射值。外部输入PWM信号为1.25Hz，占空比50％的脉冲信号。可以看到所有的测试结果都远低于限值，且满足电磁兼容测试要求的，本底信号低于限值6dB，并未引入额外的电磁干扰，可以良好的用于电磁兼容测试中。

本实用新型实施例以上测试结果表明本实用新型实施例的脉冲功率放大装置适用于模拟车载电器在完全工况下完成整车和零部件的电磁兼容测试，该装置能模拟所有车载电器需要的PWM信号，输出频率和占空比可调，延时小，响应快，能够为车载电器提供足够的驱动功率，满足车载零件对脉冲信号的要求。此外，该装置可放置在CISPR25要求的屏蔽室内，本身不引入电磁干扰，且能提供符合电磁兼容测试要求的A类上升下降沿供电信号，适用于电磁兼容测试，同时能够确保测试中不会引入电磁干扰而影响测试结果。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。