一種死區(qū)時(shí)間控制電路的設(shè)計(jì)

李 銅，魏曉偉

(西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

一種死區(qū)時(shí)間控制電路的設(shè)計(jì)

李 銅，魏曉偉

(西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

在交流方波電鍍電源的輸出控制中，需要獲得脈沖寬度可調(diào)同時(shí)有死區(qū)時(shí)間控制的控制脈沖信號(hào)來(lái)觸發(fā)大功率開(kāi)關(guān)管，常規(guī)的控制芯片不能滿足要求，因此只能通過(guò)單片機(jī)的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；本研究中的單片機(jī)正好沒(méi)有互補(bǔ)PWM輸出功能，針對(duì)該問(wèn)題利用單穩(wěn)態(tài)電路原理設(shè)計(jì)出一款既能得到PWM互補(bǔ)輸出，同時(shí)又能夠控制死區(qū)時(shí)間的邏輯電路；常規(guī)門電路的時(shí)差響應(yīng)問(wèn)題給輸出帶來(lái)可致命的干擾信號(hào)，利用MOS管搭建異或門電路，削弱了干擾信號(hào)的幅值，成功地將干擾信號(hào)過(guò)濾掉；最終得到輸出穩(wěn)定可靠、互補(bǔ)、死區(qū)時(shí)間可調(diào)整的PWM信號(hào)。

死區(qū)時(shí)間；控制電路；單穩(wěn)態(tài)電路；單片機(jī)

0 前言

在PWM控制技術(shù)中，死區(qū)時(shí)間是必須考慮的[1]。死區(qū)控制在很多的脈沖信號(hào)控制芯片中都得到應(yīng)用，其控制方式也不盡相同，主要控制方式有兩種：(1)改變振蕩電路中電容器的充電電壓閾值，典型的應(yīng)用芯片有SG3525等；(2)單片機(jī)中有PWM輸出功能，它是利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)功能來(lái)觸發(fā)RS觸發(fā)器。這些都是目前使用非常成功的應(yīng)用案例。

1 問(wèn)題來(lái)源

本研究在一款方波交流電鍍電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最初選擇單片機(jī)時(shí)忽略了單片機(jī)的PWM輸出功能問(wèn)題，所選型號(hào)為PIC16F73，該型號(hào)單片機(jī)的兩路PWM輸出頻率相同，但不能得到互補(bǔ)信號(hào)；雖然可以通過(guò)外部非門電路實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，而且可以分別改變占空比，但是不能有效地控制死區(qū)時(shí)間，即互補(bǔ)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間為零，這樣對(duì)于主電路中全橋結(jié)構(gòu)的兩對(duì)開(kāi)關(guān)管是絕對(duì)不允許的，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致直通。為此針對(duì)這個(gè)缺陷設(shè)計(jì)出一款新的死區(qū)控制電路。

2 電路原理

2.1 控制思路

控制邏輯框圖如圖1所示。將可調(diào)頻率和脈沖寬度的低頻信號(hào)一路經(jīng)過(guò)非門，另外一路直通，得到兩組同頻率互補(bǔ)的脈沖信號(hào)A、B，再分別進(jìn)入單穩(wěn)態(tài)電路A、B。根據(jù)其原理，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出只有1和0兩種狀態(tài)[2]，以此來(lái)設(shè)定兩組信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間；每組信號(hào)只能觸發(fā)一個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路，而且單穩(wěn)態(tài)電路是利用下降沿觸發(fā)得到，因此將兩組信號(hào)分別觸發(fā)兩組單穩(wěn)態(tài)電路，然后將信號(hào)B和單穩(wěn)態(tài)信號(hào)A的輸出信號(hào)通過(guò)異或門電路A來(lái)輸出信號(hào)A，此死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生于信號(hào)A的下降沿與信號(hào)B的上升沿之間。再將信號(hào)A和單穩(wěn)態(tài)信號(hào)B的輸出信號(hào)通過(guò)異或門電路B，從而得到輸出信號(hào)B，此死區(qū)信號(hào)產(chǎn)生于信號(hào)A的上升沿與信號(hào)B的下降沿之間。那么，兩組信號(hào)共同輸出就能得到所需的兩組互補(bǔ)輸出信號(hào)，同時(shí)兩組信號(hào)之間又有死區(qū)時(shí)間控制。

圖1 控制邏輯框圖

2.2 控制原理

控制原理如圖2所示。輸入脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)IN端輸入，一組信號(hào)經(jīng)過(guò)ULN2003A非門電路并進(jìn)行功率放大后分成兩路：一路去觸發(fā)由NE556第一單元構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，輸出一個(gè)單穩(wěn)態(tài)脈沖信號(hào)，其脈沖輸出頻率隨輸入信號(hào)頻率變化而變化；另一路接由MOS管VF2構(gòu)成的異或門電路。

圖2 控制原理

另外一組輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)兩極非門反相得到同相位信號(hào)，其原因如下：(1)脈沖信號(hào)來(lái)源于PIC系列單片機(jī)I／O端口，其帶負(fù)載能力有限，因此需要將信號(hào)進(jìn)行功率放大。(2)該信號(hào)的后級(jí)有一個(gè)較重的負(fù)載，即由MOS管構(gòu)成的異或門電路，如果拉大MOS管的上拉電阻阻值，則脈沖波形很容易失真，特別是上升沿時(shí)間太長(zhǎng)，減小上拉電阻很明顯就會(huì)給它的供電上級(jí)提出較高的過(guò)載能力要求，因此對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大是必不可少的。

兩組互補(bǔ)無(wú)死區(qū)信號(hào)分別觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，單穩(wěn)態(tài)信號(hào)的輸出接異或門的柵極(G)同時(shí)交叉接異或門的漏極(D)。其邏輯關(guān)系如圖3所示，A點(diǎn)信號(hào)在下降沿時(shí)會(huì)觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路動(dòng)作，經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)電路輸出得到C點(diǎn)信號(hào)；同理，B點(diǎn)信號(hào)在下降沿時(shí)觸發(fā)另一路單穩(wěn)態(tài)電路動(dòng)作，輸出得到D點(diǎn)信號(hào)。然后將A點(diǎn)信號(hào)與D點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行異或，B點(diǎn)信號(hào)與C點(diǎn)信號(hào)異或，從而分別得到F點(diǎn)和E點(diǎn)信號(hào)。這兩組信號(hào)在時(shí)域中就是所要求的互補(bǔ)同時(shí)又有死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)。在單穩(wěn)態(tài)電路中，改變RC值就可以改變脈沖寬度tp，從而進(jìn)行定時(shí)控制[2]。因此本研究中的死區(qū)時(shí)間可以通過(guò)RP*1和RP*2分別調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)時(shí)間為：tA＝1.1RP*1C3，tB＝1.1RP*2C6。

2.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

異或門電路單元4070控制原理如圖4所示，結(jié)果出現(xiàn)了非常棘手的毛刺干擾信號(hào)。

使用Multisim對(duì)圖4中的電路進(jìn)行仿真，結(jié)果也跟著輸出了一個(gè)同幅度的尖峰毛刺信號(hào)，從示波器中也證實(shí)了這個(gè)毛刺信號(hào)的存在，其幅值和頻率與仿真效果圖如出一轍；然而這個(gè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間非常短暫，約50 ns，顯然這個(gè)毛刺信號(hào)在全橋結(jié)構(gòu)中是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)檫@個(gè)毛刺的存在會(huì)導(dǎo)致構(gòu)成全橋的開(kāi)關(guān)管形成短暫的直通現(xiàn)象，這是絕對(duì)不允許的。那么這個(gè)毛刺是怎樣產(chǎn)生的呢？經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察和分析得出：這個(gè)毛刺信號(hào)比B點(diǎn)和C點(diǎn)都要滯后一些，顯然是因?yàn)锽點(diǎn)和C點(diǎn)信號(hào)的不完全同步造成的，也就是說(shuō)B點(diǎn)信號(hào)的上升沿和C點(diǎn)信號(hào)的上升沿并不是絕對(duì)的同時(shí)發(fā)生，實(shí)際上也是不可能同時(shí)發(fā)生。因?yàn)橛袝r(shí)間差，那么高速翻轉(zhuǎn)的異或門電路因?yàn)闄z測(cè)到了兩個(gè)輸入門極有相異的信號(hào)產(chǎn)生，那么肯定會(huì)在輸出門極產(chǎn)生一個(gè)高電平輸出，但是輸入端相異所存在狀態(tài)的時(shí)間非常短，因此異或門會(huì)在輸出50 ns的時(shí)間又停止高電平輸出，至于異或門輸出滯后于B點(diǎn)和C點(diǎn)的上升沿那是因?yàn)楫惢蜷T電路的傳輸特性決定的。

圖3 邏輯關(guān)系

圖4 采用異或門控制原理

通過(guò)仔細(xì)分析，因?yàn)檫@個(gè)毛刺信號(hào)是絕對(duì)不允許存在的，但是其幅值與所需要的脈沖信號(hào)一樣，因此不能采用比較器的辦法過(guò)濾掉；其頻率與開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率一樣，也不能通過(guò)濾波的辦法將它過(guò)濾掉。

本研究采用如圖2所示結(jié)構(gòu)。將B點(diǎn)信號(hào)去MOS管漏極(D)，而將C點(diǎn)信號(hào)去MOS管柵極，這樣也如圖5所示，圖5中的波形分別是圖4中B、C和Out1這三點(diǎn)的波形圖。可以明顯看到是單穩(wěn)態(tài)電路的脈沖輸出波形，即所設(shè)定的死區(qū)控制時(shí)間波形，而B(niǎo)點(diǎn)的波形則是從單片機(jī)輸出經(jīng)過(guò)一級(jí)反相和功率放大的波形，Out1的輸出波形表面上看確實(shí)是在B點(diǎn)波形的基礎(chǔ)上刪掉了死區(qū)時(shí)間波形，但是明顯發(fā)現(xiàn)在B點(diǎn)和C點(diǎn)的上升沿脈沖觸發(fā)的同時(shí)，輸出端起到了異或門的作用。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，雖然這種辦法有一定效果，但是毛刺信號(hào)仍然存在，而且頻率和時(shí)間寬度也基本一樣，唯一不同的是毛刺信號(hào)的幅值約為開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)幅值的60%。既然能夠削減毛刺信號(hào)的幅值，那么這種應(yīng)用就是切實(shí)可行的，因此將毛刺信號(hào)經(jīng)過(guò)高速比較器進(jìn)行處理過(guò)濾，也就是為什么本研究在原理圖中的輸出級(jí)加了兩個(gè)比較器的原因。

圖5 仿真結(jié)果

3 結(jié)論

(1)通過(guò)仔細(xì)調(diào)整元器件參數(shù)，最終控制死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)輸出。

(2)利用MOS管搭建的異或門電路取代了通用的異或門電路，從而消除了不同步問(wèn)題帶來(lái)的毛刺干擾信號(hào)。

(3)通過(guò)不斷優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最終彌補(bǔ)了單片機(jī)PWM輸出不能互補(bǔ)的設(shè)計(jì)缺陷，使得該電路得到成功應(yīng)用。

[1]黃 俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：208-211.

[2]秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004：322.

Design of deadtime control circuit

LI Tong，WEI Xiao-wei
(College of Meteria Science＆Engineering，Xihua University，Chengdu 610039 China)

Under the output control of AC square wave plating power supply the pulse signal in which pulse width is adjustable and dead time can be control is used to trigger the high powers switching tube.However the conventional control chip can't meet those requirements,the control method of SCM are able to get those goals.According to the problem that some single-chip microcomputers is lack of PWM output，a logic circuit，which has functions of complementary PWM output and controlling the dead time，is designed on the basis of monostable circuit principle.However，the response to the time difference of conventional gate circuit causes a great quantity of fatal interfering signals to the output.This paper has developed a type of XOR gate circuit by using MOS tube structures，which can attenuate the amplitude of the interference signal，and thus filter out the interference signal successfully.Finally we can get a stable，reliable and complementary PWM output signal with adjustable dead time by this method.

deadtime；control circuit；monostable circuit；single-chip

TG434.1

A

1001-2303(2012)03-0044-04

2011-06-21；

2011-12-02

李 銅(1979—)，男，四川閬中人，工程師，碩士，主要從事焊接電源及焊接自動(dòng)化方面的研制工作。