脈寬調(diào)制芯片在高壓發(fā)生電路中的應(yīng)用

石 芳，鄭文松

（西安航天動力研究所，陜西 西安710100）

0 引言

液體火箭發(fā)動機控制電路系統(tǒng)由電纜網(wǎng)和多臺電磁閥等組成，是執(zhí)行發(fā)動機工作程序的重要系統(tǒng)。為保證控制電路系統(tǒng)執(zhí)行程序的準(zhǔn)確性和可靠性，對其進(jìn)行電性能測試就顯得尤為重要。作為電性能測試中的絕緣電阻測試，其以往的測試方法是測試者使用兆歐表（100 V或500 V），轉(zhuǎn)動兆歐表的插手柄，兆歐表輸出測試電壓，連接測試接點逐一進(jìn)行手動測試。此方法的優(yōu)點是簡單易操作，兆歐表便于攜帶，缺點是不易準(zhǔn)確控制兆歐表轉(zhuǎn)動插手柄轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致輸出電壓值不穩(wěn)定，同時存在接點連接易出現(xiàn)錯誤，或因兆歐表輸出端短接導(dǎo)致誤判，而且測試數(shù)據(jù)結(jié)果無法存儲，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)事后分析、處理等問題。

為避免此類問題的發(fā)生，以絕緣電阻測試電路結(jié)合計算機的自動測試設(shè)計思想，實現(xiàn)各通道自動進(jìn)行測試，并顯示、存儲最終測試結(jié)果。其中，計算機用于控制測試通道的選擇、測試電路的開啟、關(guān)斷及測試數(shù)據(jù)的計算處理、顯示及存儲。同時，以分壓法作為絕緣電阻測試電路測試方法，其原理是在負(fù)載（被測端）和分壓電阻構(gòu)成的測試電路加恒定信號源（恒定高壓），分壓電阻上所得電壓經(jīng)測量放大器隔離、放大、濾波后進(jìn)入A/D板，再將A/D采集數(shù)據(jù)送CPU進(jìn)行計算處理，最終顯示測試和判定結(jié)果。測量原理見圖1所示。其中測量放大器由三級組成：儀表放大器、隔離放大器（可根據(jù)情況選擇使用）和低通濾波放大器。由此可見，恒定信號源的精度和穩(wěn)定性，是影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性和一致性的重要因素。

圖1 絕緣電阻測量原理圖Fig.1 Schematic of insulation resistance measurement

計算公式：

式中：RX為被測電阻；U為恒定高壓；G1為儀表放大器增益；G2為隔離放大器增益；G3為低通濾波放大器增益；R1和R2為分壓電阻；Ux為濾波放大器輸出電壓。

作為絕緣電阻測試電路的核心部分——脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM） 推挽式高壓發(fā)生電路，是選用TL494芯片作為高壓發(fā)生電路的核心元器件，采用脈沖寬度調(diào)制電路和電壓反饋的推挽方式，實現(xiàn)輸出穩(wěn)定直流高壓。在實現(xiàn)低電壓輸出電路設(shè)計中，TL494芯片被作為重要控制器件廣泛應(yīng)用于開關(guān)式電源中，本電路從另一角度應(yīng)用TL494芯片，使其實現(xiàn)輸出穩(wěn)定直流高壓。

1 芯片簡介

1.1 管腳說明

TL494是一個固定頻率脈沖寬度調(diào)制控制電路，它含有控制開關(guān)式電源所需的主要功能塊。其內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、死區(qū)時間控制電路、兩個誤差放大器、補償/PWM比較器以及輸出電路等組成。圖2是它的管腳圖，其中1腳和2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端；3腳是補償/PWM比較器輸入；4腳為死區(qū)時間控制，其上加0～3.3 V電壓時可使截止時間從2%變化到100%；5腳和6腳分別用于外接振蕩電阻（RT）和振蕩電容（CT），以確定振蕩器產(chǎn)生鋸齒波的頻率fosc；

式中：RT和CT的取值范圍：RT=5～100 kΩ，CT=0.001～0.1 μF。7 腳為接地端；8、9 腳和 11 腳、10腳分別為TL494內(nèi)部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式；14腳為5 V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10 mA；15腳和16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端。

圖2 TL494管腳圖Fig.2 Chart of TL494 base pins

1.2 工作過程

輸出脈沖寬度調(diào)制是通過將電容器CT上的正鋸齒波和兩個控制信號中的任一個進(jìn)行比較而實現(xiàn)的。驅(qū)動輸出晶體管Q1和Q2的NOR（或非）門只有當(dāng)觸發(fā)器的時鐘線為低時起作用。這種情況只有在鋸齒波電壓高于控制信號時才會發(fā)生。因此，控制信號的幅度增加，將使輸出脈沖寬度做線性減少。

脈寬調(diào)制器的比較器為誤差放大器提供一種調(diào)整輸出脈沖寬度的方法。它可以從死區(qū)時間控制建立的最大導(dǎo)通時間百分?jǐn)?shù)開始一直降到零，相應(yīng)的反饋腳的電壓由0.5 V變化到3.5 V。將輸出控制連接到基準(zhǔn)線上，脈沖控制觸發(fā)器將調(diào)制過的脈沖輪流送給兩個輸出晶體管以進(jìn)行推挽工作的方式，通過外接RT和CT進(jìn)行調(diào)節(jié)TL494內(nèi)部存在線性鋸齒波振蕩器頻率，實現(xiàn)PWM輸出信號的占空比。

死區(qū)時間控制比較器有一個120 mV的輸入偏置，它將最小的輸出死區(qū)時間限制在鋸齒波周期開始前4%，因而在給定的輸出將得到最大為96%的工作周期，此時輸出控制接地。在CT放電時，在死區(qū)時間比較器的輸出出現(xiàn)一個正脈沖，它將作為脈沖控制觸發(fā)器的時鐘脈沖并禁止輸出晶體管Q1和Q2工作。將輸出控制連接到基準(zhǔn)線上，脈沖控制觸發(fā)器將調(diào)制過的脈沖輪流送給兩個輸出晶體管，外部以進(jìn)行推挽工作。脈沖控制觸發(fā)器以輪流的方式輸送脈沖信號，是為避免兩個輸出晶體管同時導(dǎo)通，在芯片的9、10腳未接下拉電阻的情況下，保護(hù)電源Vcc不被短路。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

脈寬調(diào)制推挽式高壓發(fā)生電路由脈寬調(diào)制推挽電路、變壓器、電壓反饋電路、整流橋路和濾波電路組成。通過電壓反饋的推挽方式，提供調(diào)整輸出脈沖寬度調(diào)制，得到PWM輸出信號的占空比，并結(jié)合高頻變壓器將振蕩器產(chǎn)生的高頻信號放大，再進(jìn)行整流、濾波，產(chǎn)生恒定直流高壓輸出。該高壓發(fā)生電路如圖3所示。

圖3 高壓發(fā)生電路圖Fig.3 Diagram of high-voltage generating circuit

輸出脈沖寬度調(diào)制是采用將TL494輸出控制連接到基準(zhǔn)線上，其脈沖控制觸發(fā)器將調(diào)制過的脈沖送給輸出晶體管Q1進(jìn)行推挽工作，故這種方式的輸出頻率fout是振蕩器頻率fosc的一半。通過選用適當(dāng)?shù)耐饨覴T和CT，控制線性鋸齒波振蕩器的頻率，其計算方法根據(jù)公式（2），通過計算便可獲得相應(yīng)的輸出頻率，得到PWM輸出信號的占空比。

通過可調(diào)節(jié)采樣電阻，將輸出電壓采樣信號連接到TL494內(nèi)部誤差放大器1的1腳，與2腳的電壓基準(zhǔn)信號比較。若輸出采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓，誤差放大器輸出電壓增加，導(dǎo)致晶體管Q1的導(dǎo)通時間變短，使輸出采樣電壓減至基準(zhǔn)電壓值；若輸出采樣電壓小于基準(zhǔn)電壓，誤差放大器輸出電壓減弱，導(dǎo)致晶體管Q1的導(dǎo)通時間變長，使輸出采樣電壓增至基準(zhǔn)電壓值，達(dá)到電壓反饋的推挽工作方式，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

電路中變壓器是將TL494輸出的高頻信號進(jìn)行升壓，經(jīng)過由二極管搭建的整流橋路將變壓器輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，再進(jìn)行濾波處理，從而得到所需恒定直流高壓。

3 試驗情況

根據(jù)液體火箭發(fā)動機控制電路系統(tǒng)絕緣測試要求，常用輸出恒定電壓為100 V和500 V，在需要提供特殊的高壓值時，可通過調(diào)整部分電路參數(shù)得到?？梢圆捎脙煞N方法實現(xiàn)：一是調(diào)整外接電阻的阻值，改變TL494內(nèi)部振蕩器頻率及PWM輸出信號的占空比，實現(xiàn)改變輸出恒定直流高壓；另一方法是調(diào)整采樣反饋電阻值，進(jìn)而改變推挽反饋電壓值，同樣可調(diào)整輸出恒定直流電壓。通過試驗驗證輸出高壓與其相應(yīng)參數(shù)關(guān)系見圖4。

圖4 輸出電壓與反饋電阻間的關(guān)系Fig.4 Output voltage versus feedback resistance

4 測試結(jié)果

一直以來，兆歐表以其操作簡單、便于攜帶等優(yōu)點被廣泛使用。然而隨著自動化、數(shù)字化高可靠測試要求的提高，絕緣電阻測試電路以其輸出電壓值穩(wěn)定、可控，各通道自動進(jìn)行測試，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)結(jié)果存儲，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析、處理等特點，日益受到重視。現(xiàn)以100 V兆歐表和100 V高壓發(fā)生電路為測試對象，通過以下相關(guān)電路測試，就二者測試性能進(jìn)行分析對比。

4.1 輸出電壓穩(wěn)定性

100 V兆歐表輸出電壓范圍是0 V～107 V，根據(jù)測試者轉(zhuǎn)動插手柄的轉(zhuǎn)速情況而定，測試情況見表1。在轉(zhuǎn)速達(dá)不到120轉(zhuǎn)/min，輸出電壓不足100 V，便不滿足測試要求；高壓發(fā)生電路輸出電壓100±2 V，負(fù)載阻值為50 MΩ，每隔1 min測試一次，測試結(jié)果見表2。對比測試結(jié)果，高壓發(fā)生電路輸出電壓穩(wěn)定性優(yōu)于兆歐表。

4.2 紋波測試

100 V兆歐表輸出電壓值為100 V左右時，紋波為19.81 V；100 V高壓發(fā)生電路的輸出紋波不大于150 mV。

4.3 輸出電壓精度

100 V兆歐表輸出電壓精度為10%；高壓發(fā)生電路輸出電壓100±2 V，輸出電壓精度為2%。對比測試結(jié)果，高壓發(fā)生電路輸出電壓精度遠(yuǎn)高于兆歐表。

由以上測試結(jié)果可知：高壓發(fā)生電路輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓精度高，明顯優(yōu)于使用兆歐表測試。

表1 兆歐表輸出電壓穩(wěn)定性測試Tab.1 Test results of megameter output voltage stability

表2 高壓發(fā)生電路穩(wěn)定性測試Tab.2 Test results of high-voltage generating circuit stability

5 結(jié)束語

本文采用TL494芯片通過脈寬調(diào)制推挽的控制方式，實現(xiàn)輸出恒定直流高壓，電路簡單合理，輸出電壓穩(wěn)定性和可靠性高。本高壓發(fā)生電路在絕緣電阻測試中已得到應(yīng)用，取得了較好的測量效果。

[1]PRESSMAN A I.開關(guān)電源設(shè)計（第二版）[M].王志強,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]蔣煥文,孫續(xù).電子測量（第二版）[M].北京:中國計量出版社,1988.

[3]劉仁普.摩托羅拉線性與接口電路手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.

[4]朱寧昌.液體火箭發(fā)動機設(shè)計（下）[M].北京:宇航出版社,1994,12.

[5]王寧,姚煊道.單片機控制的PWM斬波式交流穩(wěn)壓電源[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2002(6):25-26.

[6]張衛(wèi)平.開關(guān)變換器的建模與控制[M].北京:中國電力出版社,2006.

[7]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.開關(guān)電源使用技術(shù)-設(shè)計與應(yīng)用（第二版）[M].北京:人民郵電出版社,2007.