数字化超声波电源系统原理如图1所示。该系统采用单片机AT89C51控制数字PWM发生器的工作，产生频率为10KHz～1MHz的死区大小可调，波形互补的两路脉冲信号；功率电路采用半桥放大方式，通过DC/AC变换电路产生的高压信号经输出变压器隔离后去激励由谐振电感和超声换能器构成的串（或并）联谐振回路,使其谐振,将电能最有效的转换为机械能，实现超声清洗的目的。
2. 数字化超声波电源电路设计
2.1 数字PWM信号发生器[2]
如图2所示，数字PWM发生器基本结构是以计数器为核心，由周期预置计数器、逻辑延时计数器、协同控制信号以及各种触发标志信号等组成。
2.1.1 数字PWM信号发生器设计原理

图2中，电路在基准时钟信号CLK的作用下，预置周期计数器开始做循环置数减一操作，当减至零值时，产生周期等于T的两路触发脉冲信号去控制两个RS触发器的翻转时刻，并用逻辑延时计数器保证翻转方向，从而形成两路反向的PWM波形。 PWM波形发生器输出频

2.2 半桥功放电路及其驱动
PWM发生器产生的两路PWM信号电流小，驱动能力弱，需要通过电流放大后才能驱动功率管MOSFET模块或IGBT模块，为此必须进行脉冲变压器隔离放大。图3为输出功率放大电路，市电经高频滤波电路后进入整流桥，将交流变换成直流，再经C3、C4组成的滤波电路滤波得到U1约300V直流电压作为开关功率放大电路电源，C3、C4同时也是桥式电路的两个桥臂，通常它们上面要并联一个33k的均压电阻以保证其中点电压为U1/2约150V。功率开关器件V1、V2在双路互补脉冲PWM信号作用下交替导通、截止，图4为经过脉冲变压器隔离的实际控制波形图。当VI导通时，V2截止，电压U1经V1变压器B的初级，电容C4到地形成通路将电能储存在变压器中，而当V1截止后V2导通，电压U1经C3变压器B、V2到地构成通路将储存在变压器中的能量释放，随后重复上述工作过程。于是在输出变压器次级得一个与主振信号同频且电压幅度较高的准方波信号如图5所示，此过程通常称交－直－交变换（AC-DC-AC变换）。由于功率管在截止和饱和导通时的功耗很小，而开关时间较短，因此总的功耗较小，而且恒定 ，最高效率可以达到90％以上。
2.3匹配电路

超声波电源匹配电路包括输出变压器、电感和换能器。该电路将功率放大后的高压信号用输出变压器隔离后，去激励由谐振电感和超声换能器构成的串（并）联谐振回路,使其谐振。匹配电路包括两个方面：阻抗匹配和调谐匹配。阻抗匹配是指变换负载的阻值，使之与PWM波形发生器的最佳负载值相等即起阻抗变换的作用，应根据换能器的激励电压、等效阻抗，开关电路的输出阻抗进行精心设计。
2.3.1 调谐匹配

2.4频率跟踪设计
换能器的谐振频率会由于发热、负载变化、老化等原因发生改变，引起换能器谐振频率的漂移，因此，要求PWM发生器能自动调节频率，即自动跟踪频率。考虑在谐振状况下，换能器阻抗最小，回路电流最大，因此采用单片机搜索谐振频率附近内的工作电流最大值，便可使换能器处于最佳工作状态。如果换能器的谐振频率发生漂移，电流 将因系统失谐而减小，反馈给智能控制系统，由单片机采样电流值与谐振频率时的最大电流 比较，不相等则单片机发出指令，以一定的步长 f改变PWM发生器的工作频率，如频率改变电流减小，单片机会使频率朝相反方向改变，直到最大电流值出现，于是系统又回到了V和I同相的谐振状态。采样电流通常检测功放级的直流电流，也可以检测流过换能器的超声波电流。

2.5 保护电路设计
超声波电源是一种大功率设备,常因种种原因致使设备过流、过热以及负载短路而损坏驱动源,为此,超声波电源设置了过流、过热及输出短路保护电路,确保驱动源稳定可靠地工作[4]。图8是过热保护信号产生电路，当温度低于65C0时，68L065长闭型热继电闭合，P为低电平，电路处于正常工作状态；而当温度高于65C0时，热继电器断开，P为高电平，通过保护信号合成电路产生过热保护信号，控制PWM发生器的工作，并经故障指示板发出过热指示信号。图7和图9分别为过流保护电路和过压保护电路。
3 数字化超声波电源软件设计
软件设计主要对数字PWM发生器进行编程，实现频率设置和调整、键盘输入和LED显示等控制，同时监控频率跟踪电路的反馈信号，调整占空比改变输出功率，完成扫频和软启动功能等，程序流程图10所示。
4 结束语
本文设计的超声波电源采用数字PWM发生器，频率稳定性好，可智能化调整；功率驱动电路转换效率高,达90%以上，能够软启动，从而避免开关电源启动时带来的冲击；该系统还具有过流、过热、过压保护功能，并能够跟踪换能器谐振频率的漂移，稳定输出功率。
本文创新点在于提出一种基于数字PWM的新型超声波清洗电源，该设计解决了目前超声波电源频率不稳定，功率跟踪困难且调整复杂等缺点，实现了超声波电源的智能化。