CPLD在臭氧電源中的應用

趙 輝，張荷芳

（西安工業大學 電子信息與工程學院，陜西 西安710032）

臭氧被喻為“綠色”消毒產品，在國內外得到廣泛應用。近年來，臭氧技術作為環保產業的重要組成部分，受到越來越多人的重視，相關產品已從飲用水處理系統拓展到污水處理、空氣凈化、家庭環境污染防治、醫療保健等領域[1]。

臭氧發生器供電電源是臭氧發生器的重要組成部分，供電電源的電壓、頻率和波形是影響臭氧發生器效率的重要因素。發生器的結構、氣源和冷卻系統確定后，電源系統的性能與品質就成為影響發生器效率的關鍵。上世紀80年代后，半導體器件的發展使臭氧電源發生質的變化，逆變式電源成為臭氧發生電源的主要形式。在該類電源中，用整流器將工頻交流電整流成直流電，經逆變電路轉換為單相中高頻交變電，再經中高頻升壓變壓器升壓至發生器放電所需的電壓。與工頻供電相比，中頻逆變電源具有系統體積小、電源效率高、臭氧產量大、可線性調節范圍寬、對電網污染小等優點。

1 系統硬件設計

在臭氧發生器供電電源的設計中，由于可控硅SCR在三相整流時產生的換流壓降對輸出電壓平均值和電壓波形都會產生嚴重影響，因此，在電源主回路的設計中采用大功率二極管整流取代SCR整流，使得整流電路輸出的電壓脈動很小，從而提高電源的穩定性和效率[2]。

由于電源整流部分采用不可控的二極管進行整流，輸出電壓的調節就不能通過整流部分進行控制。因此，電源輸出電壓和頻率的調節就只能通過逆變部分進行調節，即通過對逆變觸發脈沖的占空比和頻率的控制從而達到對電源輸出電壓和頻率的調節，以滿足設計要求。下面重點討論如何進行占空比調節、頻率調節和軟啟動時間調節。

1.1 占空比調節單元

圖1為占空比調節電路，該電路是將調節器輸出的電壓信號作為壓控振蕩器 VCO（Voltage Controlled Oscillator）的輸入信號，此信號是一個在0～5 V之間變化的直流電壓信號,即INPUT信號，由于VCO是一個電流控制振蕩器[3]，對定時電容C1的充電電流與從 引腳9輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率正比于該控制電壓。當VCO控制電壓為0 V時，其輸出頻率最低；當輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則線性增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。VCO振蕩頻率由CD4046的引腳4直接輸出到CPLD處理單元，CPLD內部通過對該脈沖信號的計數來控制逆變觸發脈沖的寬度，來調節觸發脈沖的占空比。

圖1 占空比調節電路

1.2 軟啟動時間的調節單元

圖2為軟啟動時間調節電路，該電路單元是將調節器輸出信號作為電壓比較器LM339的輸入信號，此信號是一個在0～5 V之間變化的直流電壓信號（即INPUT信號）。按照設計要求，LM339的引腳6給定電壓為1 V，當INPUT信號的電壓大于1 V時，LM339的引腳1通過上拉電阻輸出一個高電平作為啟動信號送入CPLD。在CPLD內部通過調節外部的撥段開關控制比較器的輸出，從而控制軟啟動的時間。

圖2 軟啟動時間調節電路

1.3 頻率調節單元

圖3為頻率調節電路。通過調節CD4046外接電位器POT11，控制VCO輸出脈沖的頻率[4]，根據設計要求,該電路將輸出一個變化范圍在1～6 kHz之間的脈沖信號PLS，將該信號作為CPLD的輸入信號。在CPLD內部通過計數延時和占空比設計要求，最終輸出一個頻率在400～3 000 Hz之間符合占空比要求的逆變觸發信號，并可通過POT11調節該信號的頻率。

圖3 頻率調節電路

2 系統軟件設計

該系統軟件設計是根據系統功能要求而設計的，基于EPM7128的軟件程序設計分為：輸出脈沖占空比調節、頻率調節、軟啟動時間調節和過壓過流報警[5]。開發系統使用VHDL語言進行模塊化編程，這樣可以提高程序的移植性，縮短開發周期，降低開發成本，而且易于維護系統軟件，提高可靠性[6-7]。圖4是輸出的兩路PWM脈沖仿真波形，其中GCLK是一個基準時鐘源，CLK1和CLK2分別是經VCO轉換的頻率調節和占空比調節信號，SET和SOFT分別是2個外接的4位占空比調節和軟啟動調節撥段開關。

圖4 輸出PWM脈沖仿真波形

3 結束語

介紹了基于CPLD的臭氧電源控制系統的軟硬件設計。數字電路在電源控制系統的應用使得該系統的可靠性增強、功能更加完善，該控制系統只需調節外接的2個撥段開關就可實現對輸出脈沖的占空比調節和對軟啟動時間的控制，從而使電源控制更方便和靈活。通過調試工業現場，該控制系統能完全滿足對中頻臭氧電源的控制，而且具有抗干擾能力強、穩定性好等優點，具有廣泛的應用前景。

[1]湖南遠超臭氧設備有限公司.臭氧及其應用[Z].2000.

[2]林渭區勛.可控硅中頻電源[M].北京：機械工業出版社，1999.

[3]萬心平，張厥盛.集成鎖相環路—原理、特性、應用[M].北京：人民郵電出版社，1995.

[4]Harris Semiconductor.SCHS0438,CD4046B data sheet[EB/OL].2003.http://www.21icsearch.com.

[5]Maxim公司.MAX7000A.Programmable logic device[EB/OL].2002.http://www.21icsearch.com.

[6]宇 楓，張麗英.ALTERA可編程邏輯器件[M].北京：科學出版社，2004.

[7]杜坤坤，張丕狀.基于CPLD控制的聲信號發射系統設計[J].電子設計工程，2009，17（3）：57-59.