一種死區時間控制電路的設計

李 銅，魏曉偉

(西華大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610039)

一種死區時間控制電路的設計

李 銅，魏曉偉

(西華大學 材料科學與工程學院，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同時有死區時間控制的控制脈沖信號來觸發大功率開關管，常規的控制芯片不能滿足要求，因此只能通過單片機的控制方式來實現；本研究中的單片機正好沒有互補PWM輸出功能，針對該問題利用單穩態電路原理設計出一款既能得到PWM互補輸出，同時又能夠控制死區時間的邏輯電路；常規門電路的時差響應問題給輸出帶來可致命的干擾信號，利用MOS管搭建異或門電路，削弱了干擾信號的幅值，成功地將干擾信號過濾掉；最終得到輸出穩定可靠、互補、死區時間可調整的PWM信號。

死區時間；控制電路；單穩態電路；單片機

0 前言

在PWM控制技術中，死區時間是必須考慮的[1]。死區控制在很多的脈沖信號控制芯片中都得到應用，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，典型的應用芯片有SG3525等；(2)單片機中有PWM輸出功能，它是利用計數器計數功能來觸發RS觸發器。這些都是目前使用非常成功的應用案例。

1 問題來源

本研究在一款方波交流電鍍電源的設計過程中，最初選擇單片機時忽略了單片機的PWM輸出功能問題，所選型號為PIC16F73，該型號單片機的兩路PWM輸出頻率相同，但不能得到互補信號；雖然可以通過外部非門電路實現互補，而且可以分別改變占空比，但是不能有效地控制死區時間，即互補信號的死區時間為零，這樣對于主電路中全橋結構的兩對開關管是絕對不允許的，因為會導致直通。為此針對這個缺陷設計出一款新的死區控制電路。

2 電路原理

2.1 控制思路

控制邏輯框圖如圖1所示。將可調頻率和脈沖寬度的低頻信號一路經過非門，另外一路直通，得到兩組同頻率互補的脈沖信號A、B，再分別進入單穩態電路A、B。根據其原理，單穩態觸發器的輸出只有1和0兩種狀態[2]，以此來設定兩組信號之間的死區時間；每組信號只能觸發一個單穩態電路，而且單穩態電路是利用下降沿觸發得到，因此將兩組信號分別觸發兩組單穩態電路，然后將信號B和單穩態信號A的輸出信號通過異或門電路A來輸出信號A，此死區時間產生于信號A的下降沿與信號B的上升沿之間。再將信號A和單穩態信號B的輸出信號通過異或門電路B，從而得到輸出信號B，此死區信號產生于信號A的上升沿與信號B的下降沿之間。那么，兩組信號共同輸出就能得到所需的兩組互補輸出信號，同時兩組信號之間又有死區時間控制。

圖1 控制邏輯框圖

2.2 控制原理

控制原理如圖2所示。輸入脈沖信號經過IN端輸入，一組信號經過ULN2003A非門電路并進行功率放大后分成兩路：一路去觸發由NE556第一單元構成的單穩態觸發電路，輸出一個單穩態脈沖信號，其脈沖輸出頻率隨輸入信號頻率變化而變化；另一路接由MOS管VF2構成的異或門電路。

圖2 控制原理

另外一組輸入信號經過兩極非門反相得到同相位信號，其原因如下：(1)脈沖信號來源于PIC系列單片機I／O端口，其帶負載能力有限，因此需要將信號進行功率放大。(2)該信號的后級有一個較重的負載，即由MOS管構成的異或門電路，如果拉大MOS管的上拉電阻阻值，則脈沖波形很容易失真，特別是上升沿時間太長，減小上拉電阻很明顯就會給它的供電上級提出較高的過載能力要求，因此對輸入信號進行功率放大是必不可少的。

兩組互補無死區信號分別觸發單穩態電路，單穩態信號的輸出接異或門的柵極(G)同時交叉接異或門的漏極(D)。其邏輯關系如圖3所示，A點信號在下降沿時會觸發單穩態電路動作，經過單穩態電路輸出得到C點信號；同理，B點信號在下降沿時觸發另一路單穩態電路動作，輸出得到D點信號。然后將A點信號與D點信號進行異或，B點信號與C點信號異或，從而分別得到F點和E點信號。這兩組信號在時域中就是所要求的互補同時又有死區時間的PWM信號。在單穩態電路中，改變RC值就可以改變脈沖寬度tp，從而進行定時控制[2]。因此本研究中的死區時間可以通過RP*1和RP*2分別調節，其調節時間為：tA＝1.1RP*1C3，tB＝1.1RP*2C6。

2.3 設計特點

異或門電路單元4070控制原理如圖4所示，結果出現了非常棘手的毛刺干擾信號。

使用Multisim對圖4中的電路進行仿真，結果也跟著輸出了一個同幅度的尖峰毛刺信號，從示波器中也證實了這個毛刺信號的存在，其幅值和頻率與仿真效果圖如出一轍；然而這個信號的持續時間非常短暫，約50 ns，顯然這個毛刺信號在全橋結構中是非常危險的，因為這個毛刺的存在會導致構成全橋的開關管形成短暫的直通現象，這是絕對不允許的。那么這個毛刺是怎樣產生的呢？經過仔細觀察和分析得出：這個毛刺信號比B點和C點都要滯后一些，顯然是因為B點和C點信號的不完全同步造成的，也就是說B點信號的上升沿和C點信號的上升沿并不是絕對的同時發生，實際上也是不可能同時發生。因為有時間差，那么高速翻轉的異或門電路因為檢測到了兩個輸入門極有相異的信號產生，那么肯定會在輸出門極產生一個高電平輸出，但是輸入端相異所存在狀態的時間非常短，因此異或門會在輸出50 ns的時間又停止高電平輸出，至于異或門輸出滯后于B點和C點的上升沿那是因為異或門電路的傳輸特性決定的。

圖3 邏輯關系

圖4 采用異或門控制原理

通過仔細分析，因為這個毛刺信號是絕對不允許存在的，但是其幅值與所需要的脈沖信號一樣，因此不能采用比較器的辦法過濾掉；其頻率與開關信號頻率一樣，也不能通過濾波的辦法將它過濾掉。

本研究采用如圖2所示結構。將B點信號去MOS管漏極(D)，而將C點信號去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這三點的波形圖。可以明顯看到是單穩態電路的脈沖輸出波形，即所設定的死區控制時間波形，而B點的波形則是從單片機輸出經過一級反相和功率放大的波形，Out1的輸出波形表面上看確實是在B點波形的基礎上刪掉了死區時間波形，但是明顯發現在B點和C點的上升沿脈沖觸發的同時，輸出端起到了異或門的作用。經過實際測試，雖然這種辦法有一定效果，但是毛刺信號仍然存在，而且頻率和時間寬度也基本一樣，唯一不同的是毛刺信號的幅值約為開關脈沖信號幅值的60%。既然能夠削減毛刺信號的幅值，那么這種應用就是切實可行的，因此將毛刺信號經過高速比較器進行處理過濾，也就是為什么本研究在原理圖中的輸出級加了兩個比較器的原因。

圖5 仿真結果

3 結論

(1)通過仔細調整元器件參數，最終控制死區時間的PWM信號輸出。

(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題帶來的毛刺干擾信號。

(3)通過不斷優化電路結構和參數，最終彌補了單片機PWM輸出不能互補的設計缺陷，使得該電路得到成功應用。

[1]黃 俊，王兆安.電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社，1992：208-211.

[2]秦曾煌.電工學[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化方面的研制工作。