一款纯硬件的SPWM系统

wangyangwei

一款纯硬件的SPWM系统(转自电源网，laoshou)
    首先说明一下,我不是搞电源的专业人士,搞逆变器完全是出于一种喜好,我没有专门学过系统的理论,所有对SPWM的认识,均学自网络,当然主要是这个电源网.xzszrs、 lizlk及其他坛中的高手就是我没有见过面的老师,也就是我是看着大家的贴子长大的.特别是钟工,他技术精湛,为人坦荡,是一位真诚的工程师,他的贴子,我不但全看,有的已经看了N遍,差不多会背了.
    因为不懂单片机的编程,所以,一直热衷于硬件SPWM的研究.这款SPWM经我三次大的修改,三次PCB打样,现在基本可以定稿了,经我试装的几张样板,现在性能都很稳定.现在发这个贴子,旨在抛砖引玉,电路设计方面肯定还有很多不合理之处,请大家斧正.
    本电路的正弦波信号预处理部分,我是参考了钟工的原创,这里特此表示感谢.
一,电路原理分析及部分元件的选择.
    电路中的U1B组成一个文氏电桥振荡器 ,它的特点是起振容易,波形失真很小,频率也很稳定.其振荡频率由R1 R2 C1 C2决定,当C1,C2为标准的104时,R1,R2为31.8K时,频率刚好为50HZ左右,R1,R2可以在标称电阻33K中挑选.VR3为反馈调节电位器,可以调节振荡器输出的正弦波的幅度.D5,D6为稳幅二极管.从振荡器出来的正弦波分成4路,2路进入U2A,U2B组成的精密整流电路变成馒头波;2路进入由U6A,U6B组成的同步波发生电路变成方波.
  U1A是一级隔离放大器,其电压增益为2倍,也可以接成跟随器的形式,因为我考虑到5532在做跟随器时是否会不稳定,所以给它一定的增益,它的主要作用是隔离振荡电路和它的4路负载.
    U2A,U2B组成一个精密整流电路,其特点是,经它整流的正弦馒头波,失真很小,能满足SPWM的要求.图中R4,R7,R8,R9,R16的阻值一定要一致,特别是R7,R9要配对(这5个10K电阻我用的是0.1%的精密电阻),否则,出来的馒头波会上下跳动.
    U3B就称它为稳压放大器:从精密整流电路出来的馒头波进入U3B的同相端,从H桥取样变压器次级出来的馒头波(也经整流,不能滤波)进入U3B的反相端,用来控制该运放的输出电压,起到稳压作用.
    U3A是一个加法电路:从U3B出来的馒头波进入U3A的同相端,同时U3A的同相端也接在一个直流电位上,把PP值为4V的馒头波,垫高2.5V.这个经垫高的馒头波就可以送到SPWM调制电路中,做为SPWM的基波信号.
    本电路的载波振荡器的核心是一块NE555时基电路U4.它实际上是一个高线性度的三角波发生器,三角波频率由R29,R30及C7决定,如图中所标的数值R29,R30为470R,C7为822,这时,三角波的频率约为20K,能满足SPWM调制电路的要求.为确保三角波的线性度,由Q1,Q2,Q3,Q4为电容充放电回路组成恒流源.三角波信号经Q5的E极输出,分别送到SPWM调制器U5A,U5B的同相端和反相端.这个调制电路实际上是一个电压比较器,它把20K的三角波信号和100HZ的馒头波信号进行比较,在输出端1脚和7脚分别输出二路极性相反的SPWM信号.U5可以用LM339或LM393,不能用速度较慢的普通运放,如324,358等等.
    另一块5532即U6A,U6B组成一个50HZ同步方波发生电路:从正弦波振荡器过来的正弦波信号(约12VPP),经二个电压比较器U6A,U6B后,产生二路带死区时间的低频同步波,电路中R39,R14决定二路方波的死区时间.经试验,当用5532时,R39,R14取510R时,死区时间大约为100US .U6A,U6B用358时死区时间为200US.
    在U5的输出端,接有一个高频波死区时间调整电路,由R47,R48,C20,C21组成,这4个元件是我第三次修改时加上去的.在没有这二组延时电路时,高频波的死区时间约为100ns,接上H桥后,在开环不稳压的情况下,表现很好.但在闭环空载时,H桥有轻微的直通现象.加了这二个回路后,高频波的死区时间调整为2us,闭环空载时的轻微直通现象消失.
    从U5出来的二路SPWM波和从U6出来的二路同步方波,一并送到由U7,U8,U9组成的时序编码电路进行分相编码,出来的是4路标准的SPWM单极性调制波,分别送到H桥的4个驱动电路中.
    这里有一点要特别说明:我用的H桥是用4个光藕做为输入驱动的,其设计要求为“低电平有效”,如果用其它驱动方式的H桥,原则上也可以,但如果其驱动方式为“高电平有效”的话,最后一级反相器U9一定要取掉.
    补充一点:电路中所有的电容,一定要用CBB电容,性能稳定,质量可靠,其它电阻最好用1%的真金膜电阻.

    二,信号板电路的调试:
1.在J1上接上+15V和-15V电源,D7,D16应该亮,测一下电流,+15V应该在50MA左右,-15V应该在60MA左右,说明电路基本正常.
2.用示波器测S1点,调节VR3,应该看到正弦波,频率在50HZ左右,调VR3使S1点的正弦波幅度在12Vpp,振荡器就基本调好了.
3.用示波器测S2点波形,应该看到馒头波,调VR1使馒头波的幅度在6Vpp,一般大于11V就会出现削顶,这样,精密整流电路就调好了.
4.用示波器测S3点波形,也应该是馒头波,调VR4让S3点的波形幅度在4Vpp,再调VR2使馒头波的谷点离开直流底线2.5V,这样,加法器电路就基本调好了,等接上H桥再细调.

   三,接上H桥联调:
    我把我用的H桥的电路也贴上来供大家参考,过载保护部分的电路没有画出来,原因是:当初设计时没有想到取样电阻上的电流是高频脉冲电流,误当成恒定直流了,一直到PCB做好了,装机调试时才发现这个失误,所以,原来的保护电路要重新设计,花了几百元打样的PCB也做废了,但H桥主电路部分还是能用的.下面我讲一下信号板和H桥部分联调的过程.
   1.先把信号板上J2插头上的第2号线断开,也就是,让H桥处在开环状态.
   2.把信号板J2和H桥连接好.
   3.接上母线电源,注意:为了安全起见,先不要接高压,可用低压先试,我是用一台双组0~30V,5A的稳压电源来试的,双组串联成60V,因为稳压电源一般都有恒流保护,所以比较安全.
   4.把示波器的探头打在10:1档,夹在H桥AC输出的二个端子上,再接上一点负载,我是接一个100W的36V的灯泡.
   5.接通信号板电源,H桥应该有正弦波输出,灯泡会亮.
   6.细调信号板上的VR2,让正弦波上下二个半波的过渡光滑自然,没有阶梯感;再调VR4,慢慢调大,正弦波会出现削顶,再稍回调一点,让正弦波顶部光滑自然,这样整个系统就基本调试好了.
   四,闭环稳压的调试:
    如果你只让系统工作在开环状态,那么,这一步可以不做,因为开环状态的波形失真很小,效率很高,经试验,在母线电压为52V的情况下,如果接上一个36V的灯泡,这时,母线电流为2A,也就是母线实际消耗功率为104W,测灯泡上的电流为2.79A,灯泡上电压为36V,这时实际效率为:2.79*36/104=96.5%.
    如果你一定要稳压,那就再做如下几步:
    1.调信号板上的VR4,慢慢调大馒头波的幅度,用示波器观看H桥AC输出端的波形,波形会出现明显的削顶,直到波形变成梯形波,停止调节,关机.
    2.把信号板J2上的第2号线接通,再开机,调信号板上的VR5,让输出的梯形波幅度慢慢变小,顶部分会慢慢开始圆滑,直到整个波形又变成正弦波时停止调节,这时,系统就工作在闭环稳压状态了,你可以取掉负载,看看电压有没有升高(应该变化很小),而且在空载时也应该是正弦波.
    系统工作在闭环稳压状态时,我还发现二个小问题1)闭环时的正弦波失真要大一点,波形有点发胖,馒头半波都有点轻微地往左歪(虽然是在可接受范围内),原因是,从取样变压器上反馈回来的馒头波的相位,和信号板上的馒头波的相位有一点点误差,我不知道怎么补偿才能解决这个问题,请有关专家指点.(2)在闭环情况下,如果走线布局处理不当,很容易在U3B上引入干扰.原先,取样调节电位器VR5是装在H桥板上的,这样送回的信号电平很低,干扰很大,后来,我把VR5移动信号板上,送回来的是21VPP的馒头波,干扰问题基本解决了.

   H桥的PCB因为要重新打样,所以我没有传上来,信号板的PCB文件我传上来了,朋友们下载后可以直接去打样,如果哪个朋友去打样,不要忘记送我二片,
因为我此前已经为这块信号板打了三次样了,花了不少冤枉钱,哈哈,这样下去,只得戒烟了.信号板的PCB文件是PROTEL99的,上面还有几根网络线不要去管它,线路是没有错误的,放心用好了.因为我是刚学的PCB设计,这板信号板还算是“处女作”,走线有点难看,请大家将就着看就是了.
    最后,我对还有二位朋友做一个感谢:一位是上海理工大学的ZZ教授,他是一位电子专家,特别是对运放非常熟悉,因为他初中阶段我教他过一段时间,所以,我这里只要一有运放方面的问题,我就不管他忙不忙,打一个电话过去,他也无奈,每次都是耐心做答;还有一位是杭州大蒙电子厂的ZM先生,他厂里有全套焊接设备,我做实验的PCB板,都是送到他厂里焊接的,免去了我戴着老花镜一点一点焊接的痛苦.
附图为其原理图