高頻焊管鎖相電路設計

付立功，軒宗志，葛永國，軒宗震

（1.保定紅星高頻設備有限公司，河北 保定 071000；2.河北省科技工程學校，河北 保定071000）

1 鎖相電路原理

近年來，隨著電力電子器件的迅速發展，采用大功率MOSFET場效應管的固態高頻焊管電源逐步取代了電子管高頻電源。鎖相電路的鎖相環 （phase-locked loop，簡稱PLL）是固態高頻焊管電源的重要組成部分。在高頻焊管電路中用CD4046集成電路作為鎖相控制模塊。在鎖相環的工作過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住。

在焊管過程中不可避免的感應線圈打火，接觸焊觸頭跳動產生的火花等原因，都會使槽路的頻率fi發生變化，此時壓控振蕩器輸出的頻率f0必須跟隨fi變化，才能保證逆變器正負功率模塊的轉換在軟開關[1]狀態下進行，即ZVS（zero voltage-switchng）否則逆變器換相電流很大，器件開關損耗增大，器件發熱，甚致損壞。頻率跟蹤的目的是使壓控振蕩器的輸出頻率f0始終等于槽路諧振頻率fi，即 f0=fi，槽路中的電壓與電流在相位上保持一致。因為電壓和電流此時同相，所以使功率因數cosφ=1，便可以獲得最大的效率。

鎖相環是一個相位負反饋控制系統，它比較槽路頻率和壓控振蕩器輸出頻率之間的相位差，用這個相位差來調整壓控振蕩器的頻率始終等于槽路的頻率。

當鎖相環進入鎖相狀態時，它具有自動“撲捉”信號的能力，壓控振蕩器VCO在一定范圍內撲捉到槽路頻率的變化，同時強迫壓控振蕩器VCO鎖定在這個頻率上。

2 高頻焊管電路原理

固態高頻焊管電源主電路結構如圖1所示。主電路包括整流電路和逆變電路。整流電路是三相全控可控硅，將三相工頻電源轉換成直流電源，其主要功能為：①調節直流電壓，改變輸出功率；②故障保護，整流電路輸出電壓Ud=1.35Ucosα （U 為線電壓），當 α≥90°，Ud=0，將可控硅SCR的導通角α后移，使得α≥90°，能安全有效地將主電路電壓降至零，從而限制故障電流的增長。

圖1 高頻焊管電源主電路電氣原理圖

逆變電路是并聯升壓諧振電路。具有較好的負載適應能力和可靠性。逆變電路為E類逆變器[2－6]，如圖1所示，兩對MOSFETS功率場效應管MOS1,MOS3和MOS2,MOS4輪流交替導通和截止，從而把直流電源變成單相高頻交流電源。逆變電路發生諧振時，電路中電流與電壓同相，電路呈電阻特性，其諧振頻率fi為

式中：L—槽路等效總電感；

C—槽路等效總電容。

在焊管的過程中由于焊接速度，焊接溫度以及磁棒冷卻水溫度的變化都會影響到槽路等效電感L發生變化，導致槽路諧振頻率變化。因此，固態高頻焊管電源的工作頻率是個時常變化的參數。

100～400 kHz屬于目前高頻焊管廣泛使用的焊接頻率[7]。大直徑厚壁管的焊接頻率在100 kHz左右，小直徑薄壁管的焊接頻率在400 kHz左右。

3 鎖相環的基本工作原理

鎖相環可以用來實現輸出和輸入兩個信號之間的相位同步。當沒有fi輸入信號時，環路濾波器的輸出為某一固定值，這時，壓控振蕩器VCO將按這一固定值進行振蕩，其輸出為U0。當有頻率為fi信號電壓Ui輸入時，U0和Ui同時加到鑒相器進行鑒相。如果fi與f0相差不大，鑒相器對Ui和U0進行鑒相的結果，輸出一個與Ui和U0相位差成正比的誤差電壓Ud，再經過環路濾波器濾去Ud中的高頻成分，輸出一個控制電壓UC，UC將使壓控振蕩器的輸出頻率f0發生變化。朝著fi輸入的頻率靠攏，最后使fi=f0，環路被鎖定[8]。環路一旦進入鎖定狀態，壓控振蕩器的輸出f0與輸入fi之間只有一個固定的穩態相位差，而沒有頻差的存在。這時我們就稱環路已被鎖定。環路的鎖定狀態是對輸入頻率fi和相位不變而言的，若環路輸入的頻率和相位是不斷變化的信號，而且環路能使壓控振蕩器輸出的頻率f0和相位不斷地跟蹤輸入信號的頻率fi和相位變化，這時環路所處的狀態稱為跟蹤狀態。

典型的鎖相環（PLL）包括3部分：鑒相器PD、低通濾波器LPF和壓控振蕩器VCO，其電路結構框圖，如圖2所示。

圖2 鎖相環電路結構框圖

3.1 異或門鑒相器PD

異或門鑒相器PD（phase detector）是一個相位比較器，用來檢測兩個輸入 A（Ui）與 B（U0）瞬時相位差，而輸出Y（Ud）的電壓則是相位差的函數，其邏輯關系為

異或門的真值表見表1，圖3所示為邏輯符號圖。

表1 異或門的真值表

圖3 異或門邏輯符號圖

從表1可知，如果輸入端A和B分別送入占空比為50%的信號波形，則當兩者存在相位差Δθ時，其輸出頻率F增加一倍，見圖4。將F輸出波形通過低通濾波器 （比例積分）濾平，其平均值與Δθ有關，見圖5。這樣就可以利用異或門來進行相位到電壓的轉換，構成相位檢出電路。經異或鑒相器輸出的電壓平均值Ud為

式中：Kd—鑒相靈敏度。

圖4 鑒相器波形

Δθ與Ud的關系可用圖5來描述。從圖中可知，兩者呈線性關系。

由圖5可見，對鑒相器輸出誤差電壓Ud（t）起作用的不是其頻率，而是 Ui（t）與 U0（t）的相位差。

圖5 鑒相器輸出特性

3.2 低通濾波器LPF

這里的低通濾波器LPF（loop pass filter）是一個有源比例積分（PI）調節器，低通濾波器是為了濾除鑒相器輸出的高頻信號，并對其輸出波形進行濾波和平滑。如圖6所示。

圖6 有源濾波器原理圖

當Ud剛加上時，一開始C10相當于短路狀態，等于反饋回路只有電阻R16，此時相當于進行比例調節，隨著C10被充電，就開始進行積分，也就是同時進行比例-積分兩種調節。輸出Uc與輸入Ud與時間t的 關系，如圖7所示。

濾波器的傳遞函數W（P）等于反饋回路阻抗與串在輸入端的阻抗之比

圖7 濾波器的特性

τ0=R10C10，為積分時間常數；

因此，PI調節器的輸出是由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分，從而實現了比例積分調節作用。必須指出：積分電容C10不要接在靠近放大器的輸入端這一邊，如圖6所示。因為電容器上出現的布線電容大于在電阻上出現的布線電容，如果C10靠近輸入端得話，將與電阻R10一起構成一個慣性環節，使慣性增加。

3.3 壓控振蕩器VCO

壓控振蕩器VCO（voltage controlled oscillator）是鎖相環PLL的控制對象。壓控振蕩器是一個電壓—頻率變換裝置，它的振蕩頻率應隨輸入控制電壓Uc（t）線性的變化。 即：

式中：ω0（t）—壓控振蕩的瞬時角頻率；

K0—壓控靈敏度，rad/s·V。

ωr—環內壓控振蕩器的自由振蕩角頻率，它也是環路的一個重要參數。

在環路中作為頻率可調振蕩器，其振蕩頻率應隨輸入控制電壓Uc線性地變化，如圖8所示。

圖8 壓控振蕩器特性曲線

實際應用中的壓控振蕩器的控制特性只有有限的線性控制范圍，超出這個范圍壓控靈敏度會下降。

壓控振蕩器的輸出頻率f0鎖定到輸入信號的頻率fi上。在鎖定狀態，f0=fi，U0與Ui之間只有一個相角差Δθ，當鎖相環鎖定時，其相位誤差Δθ=π/2，鑒相器的輸出電壓為 Vcc/2（見圖5），使鎖相環工作在穩定狀態。當輸入信號相位或頻率發生變化時，就會使Δθ偏離π/2，鑒相器輸出電壓Ud改變，通過壓控振蕩器改變輸出信號的相位或頻率，使得Δθ回到π/2，鎖相環重新回到鎖定狀態。

3.4 鎖相環電路的設計

圖9為鎖相環的原理圖，它是由集成鎖相環CD4046和其他CMOS集成電路及線性集成電路組成，其電路的主要特征是電源電壓范圍寬、功耗低、抗干擾能力強。

圖9 鎖相環電路原理圖

該鎖相環中的相位比較器，采用了CD4046中的異或門相位比較器PD。此比較器具有較好的噪聲抑制能力，并充分地利用觸發同步信號的對稱性獲得最大的鎖定范圍。相位比較器又稱鑒相器，它把一個周期性的輸出信號電壓Ui與壓控振蕩器的輸出信號U0的相位進行比較，產生對應與兩信號相位差的誤差信號電壓Ud，Ud信號電壓加到比例積分放大器構成的有源低通濾波器，其2腳為輸入端。低通濾波器又稱為環路濾波器，它是一種線性系統，其作用是濾除誤差信號電壓Ud中的噪聲和高頻干擾信號電壓，其輸出為Uc（見圖8），保證了環路具有良好的動態性能，進而提高系統的穩定性。壓控振蕩器的輸出在鎖相環CD4046的4腳，接到與非門U11C的8～9腳，其輸出10腳倒相1800連接到4013雙D觸發器U12A的3腳上，它的輸出2腳，頻率下降一倍 （二分頻）。這樣，異或鑒相器輸出增加一倍的頻率被還原[9]。與非門U11B， U11A和U11D的作用是延時，使CD4046的3腳與14腳相位差900，14腳超前（見圖4）。

壓控振蕩器的中心頻率fr由R1、R2和C1來決定[10]，其中R1決定壓控振蕩器的最高頻率fmax，R2決定壓控振蕩器的最低頻率fmin，其估算公式為

從圖9可知，R1=8.2 kΩ，R2=100 kΩ，C1=136 pf，則

對于低通濾波器的時間常數的選取原則是既要避免環路進入自激，又要保證輸入頻率的變化合理而又能快速響應的原則，最終選取C10=22 nf，R10=22 kΩ，R15=22 kΩ，R16=2.7 kΩ。

4 結 語

實踐證明，鎖相環具有頻率自動跟蹤和相位自動控制的功能，對于頻率1 MHz以下，用CD4046鎖相環做為高頻焊管鎖相電路非常實用，電路簡單，抗干擾，運行可靠。一個合理的高頻焊管鎖相電路設計，可以保證高頻焊管電源可靠工作。目前很多焊管企業要求一機多能，生產多種規格鋼管，例如某機組生產鋼管從φ219 mm到φ114 mm多個規格的鋼管，使高頻焊管的頻率上限到下限的范圍增大，鎖相電路必需適應多規格多品種生產的需要。本文給出頻率f=60 kHz到726 kHz范圍設計計算的參數，可供參考。

［1］楊旭.開關電源技術［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［2］潘天明.現代感應加熱裝置[M].北京：冶金工業出版社，1996.

［3］胡建堂，譚博文，余德全.固態高頻電源[M].長沙：國防科技大學出版社，1999.

［4］楊鴻均.電工電子基礎[M].北京：中國電力出版社，2009.

［5］葉光勝.電工電子技術基礎[M].成都：人民郵電出版社，2009.

［6］邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社，2006.

［7］李鶴林.中國焊管50年［M］.西安：陜西科學技術出版社，2008.

［8］顧耀祺.鎖相［M］.北京： 科學出版社，1975.

［9］林紅.數字電路與邏輯設計［M］.第 2 版.北京：清華大學出版社，2009.

［10]李定宣.現代高頻感應加熱電源工程設計與應用［M］.北京：中國電力出版社，2010.