一種用于PWM控制器的同步電路設計*

胡榮驊 彭 洋 趙玉龍

(中國空空導彈研究院 洛陽 471099)

一種用于PWM控制器的同步電路設計*

胡榮驊 彭 洋 趙玉龍

(中國空空導彈研究院 洛陽 471099)

介紹了DC/DC變換器的寬同步應用需求,分析了PWM控制器的同步工作原理。采用或非門實現了窄脈沖發生電路,進一步實現了PWM控制器的同步電路,具有頻率和占空比范圍寬的特點。分別采用電流型PWM控制器UCC3800和電壓型PWM控制器UC1825進行實驗驗證。同步輸出的PWM控制信號頻率與外部時鐘頻率一致,且振蕩鋸齒波波形沒有發生畸變,表明該電路可用于實現PWM型DC/DC變換器的寬頻率范圍同步功能。

DC/DC變換器; PWM控制器; 同步功能; 寬同步頻率范圍

Class Number TN787

1 引言

在一個雷達接收系統中,二次電源為其他功能組件供電,通常要求輸出多路不同的電壓。二次電源一般采用多個不同的PWM型DC/DC變換器,它們具有各自獨立的開關頻率。這些頻率的高次諧波通過電源線傳導[1],將會對其他系統產生干擾。對于靈敏度較高的接收系統[2],干擾容易進入接收帶寬內,產生虛假的接收信號。

PWM型DC/DC變換器自身的開關頻率[3～4]是由內部PWM芯片外圍振蕩元器件(即：定時電阻和定時電容)設定。不同的DC/DC變換器由于選用了不同的PWM芯片、定時電阻和定時電容,自身的開關頻率是不同的。而且,對于同一型號DC/DC變換器的開關頻率,生產廠家給出的是一個區間范圍,說明同型DC/DC變換器的開關頻率也可能不同。

針對上述情況,在雷達接收系統設計中,要求二次電源的開關頻率必須和主控時鐘同步。這樣,二次電源中的DC/DC變換器全部以該時鐘為開關頻率同頻工作。通過選取合適的開關頻率,即可避免開關頻率的高次諧波落入接收帶寬以內。同時,雷達接收系統要具有良好的抗干擾性能,就必須要求主控時鐘的頻率和占空比等波形參數范圍寬。因此,在較寬頻率范圍內,實現DC/DC變換器的同步功能,并取得良好的同步效果,對實現雷達接收系統的高靈敏度和抗干擾性能具有重要意義。

2 PWM控制器同步設計原理

PWM型DC/DC變換器中,PWM控制器通過誤差放大器的輸出與鋸齒波比較實現PWM控制信號[5],如圖1所示。開關管定期導通,當鋸齒波上升到與誤差信號相等時開關管關斷。當鋸齒波的幅值上升達到PWM芯片內部設定的閾值時,下一個周期開始。

PWM型DC/DC變換器同步的實現方法是通過在PWM控制器振蕩鋸齒波信號上疊加一個信號,促使鋸齒波提前達到閾值。這個疊加的窄脈沖使得鋸齒波一下超過設定閾值,提前進入下一個周期,如圖2所示。圖中,fp為外加窄脈沖頻率,fs為PWM控制器內部振蕩器頻率,fs

3 窄脈沖產生電路

圖3為兩個或非門和RC積分電路實現窄脈沖輸出的電路原理圖[6]。由或非門的邏輯關系得出,當圖中A為低電平且B為高電平時,OUT2為高電平。但A變為低電平時,B端的電容C1會通過小電阻R1迅速放電,B端會由高電平迅速變為低電平,形成很窄的正脈沖輸出。A點、B點和窄脈沖輸出波形見圖4。

實際電路中,B點波形通過小電阻R1,影響到A點波形,使A點波形不是理想方波,無法輸出窄脈沖。因此,采用同相輸出MIC4427進行隔離,外部時鐘接MIC4427的兩個輸入端。MIC4427其中一路輸出接A點,另一路輸出接R1,避免B點波形對A點波形產生影響。或非門采用SN74128,其輸入高電平最低值為2V。則輸出的窄脈沖寬度為B端C1電容由V0(5V)放電至Vt(2V)時的放電時間。由R1和C1組成的RC積分電路[7～8],電容放電過程見公式(1)。

(1)

電路選取R1=50Ω,R2=10KΩ,C1=1nF,通過式(1)計算得出,放電時間t=46ns。根據或非門SN74128的器件手冊,其關斷延遲時間約為8ns。因此,窄脈沖寬度的理論計算結果為54ns。通過Saber軟件仿真,該窄脈沖產生電路輸出的窄脈沖寬度仿真結果約為54.4ns(見圖4)。Saber軟件的仿真結果與理論公式的計算結果一致。

為分析該電路對輸入脈沖參數變化的適應情況,采用Saber軟件對輸入脈沖周期、脈沖寬度進行掃描仿真,窄脈沖的輸出仿真結果見圖5。圖5(a)為輸入脈沖寬度固定0.5μs,輸入脈沖周期從1.25μs～8μs變化(頻率125KHz～800KHz)的仿真結果。可見,該電路在輸入脈沖頻率改變時,輸出窄脈沖寬度基本不變。圖5(b)為輸入脈沖周期固定2.5μs,輸入脈沖寬度從0.2μs～2.2μs變化(占空比8%～88%)的仿真結果。可見,該電路在輸入脈沖占空比改變時,能正常輸出窄脈沖,脈沖寬度在為52ns～55ns范圍內。以上仿真結果表明,該電路可適應同步信號的頻率和占空比范圍都比較寬。

4 PWM控制器同步實驗

為驗證使用該電路實現PWM型DC/DC變換器的同步功能,分別采用電流型PWM控制器UCC3800[9]和電壓型PWM控制器UC1825[10]進行實驗測試。

4.1 UCC3800同步實驗

電流型PWM控制器UCC3800同步電路如圖6(a)所示。外部時鐘輸入到窄脈沖產生電路,輸出脈寬約90ns的窄脈沖。然后經過耦合電容C1耦合到振蕩電容Ct上去。耦合電容C1選用10uF的電容,使窄脈沖良好地耦合過去。同時,窄脈沖電路末級對地阻抗足夠大,減小對PWM芯片自身振蕩頻率的影響。電阻R1可調節窄脈沖幅度,為減小R1對鋸齒波波形的影響,一般選擇幾十歐左右的電阻。

振蕩定時電阻Rt為6.8KΩ,定時電容為0.5nF,自身的振蕩頻率為350KHz。外加500KHz時鐘信號,UCC3800同步結果如圖6(b)所示。圖中,Ch1為UCC3800同步輸出PWM的頻率為500KHz,與外部時鐘頻率一致。Ch2波形為窄脈沖疊加到鋸齒波后的振蕩波形,鋸齒波波形未發生明顯畸變,同步效果良好。

4.2 UC1825同步實驗

電壓型PWM控制器UC1825的同步電路如圖7(a)所示。同步振蕩定時電阻Rt為3.9KΩ,定時電容為1.5nF,自身的振蕩頻率為270KHz,兩個輸出端OUTA和OUTB推挽輸出135KHz(振蕩頻率的一半)反相方波。外加400KHz時鐘信號,UC1825同步結果如圖7(b)所示。圖中,Ch1為UC1825同步輸出PWM的頻率為200KHz。Ch2波形為窄脈沖疊加到鋸齒波后的400KHz振蕩波形,鋸齒波波形無明顯畸變,同步效果良好。

5 結語

本文針對DC/DC變換器寬范圍同步功能[11]應用需求,采用或非門構成的窄脈沖產生電路實現了PWM控制器外同步。該電路產生的窄脈沖寬度固定,只與RC電路放電時間有關,受外部時鐘的頻率和占空比參數影響很小。分別采用電流型PWM控制器UCC3800和電壓型PWM控制器UC1825進行了實驗測試驗證。實驗結果為PWM控制器的輸出方波頻率和外部時鐘頻率一致,且振蕩鋸齒波的波形沒有發生畸變、無雜波,說明同步效果良好。該電路用于實現PWM型DC/DC變換器的寬頻率范圍同步功能,能適應寬頻率范圍、寬占空比范圍的同步信號,具有較好的應用前景。

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A Synchronization Circuit Design Used in PWM Controller

HU Ronghua PENG Yang ZHAO Yulong

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471099)

The demand of wide synchronization applied in DC/DC converter is introduced in this paper. It is analyzed how the switching frequency of PWM controller is synchronized to an external frequency source. A synchronization circuit for PWM controller is realized by a narrow pulse generation circuit using NOR gate. The ranges of frequency and duty cycle are wide. It is tested using current-mode PWM controller UCC3800 and voltage-mode PWM controller UC1825. The frequency of outputted PWM signal is consistent with the frequency of external source. The shape of oscillated sawtooth wave isn’t distorted. Experiment results show that wide synchronization frequency range function of PWM DC/DC converter can be realized by this circuit.

DC/DC converter, PWM controller, synchronization function, wide synchronization frequency range

2016年10月9日,

2016年11月25日

胡榮驊,男,碩士,工程師,研究方向：雷達導引系統二次電源設計。彭洋,男,碩士,工程師,研究方向：雷達導引系統二次電源設計、DC-DC變換器設計。趙玉龍,男,碩士,工程師,研究方向：雷達導引系統二次電源設計。

TN787

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.031