對稱多諧自激振蕩電路設計與分析

姜紅星，樊春玲

(青島科技大學自動化與電子工程學院，山東 青島 266100)

0 引言

感應加熱以其清潔、可靠等優(yōu)點，在工業(yè)和民用領域得到了廣泛的應用。在民用領域，其常見的應用是電磁爐。和普通爐具相比，電磁爐以其加熱速度快、節(jié)能環(huán)保、安全性高等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。隨著電磁加熱技術(shù)的普及，電磁加熱技術(shù)越來越多地取代傳統(tǒng)的熱板加熱。長期以來，單管感應加熱[1-2]是電磁加熱的常用拓撲結(jié)構(gòu)之一。其控制方式相對簡單，控制器只需給出一定占空比的脈沖，就能使電路振蕩工作。其缺點是不能保證開關(guān)管絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在零電壓下導通(zero voltage switch,ZVS)[3]，從而造成電容脈沖爬升率大、IGBT損耗增加等缺陷[4]。為克服這一問題，在有些應用中，采用軟件同步代替該振蕩電路[5]，但這種方式會占用更多的處理器資源，并且存在因處理器跑飛而導致IGBT燒毀等問題。因此，本文基于Middleby公司某保溫桶項目開發(fā)需求，為了降低IGBT損耗、產(chǎn)生15 kHz穩(wěn)定脈沖，同時簡化電路、降低成本，在傳統(tǒng)模擬電路的基礎上，設計了性能穩(wěn)定的對稱多諧自激振蕩電路。

1 振蕩原理及分析

振蕩電路是指在輸入端沒有附加的輸入信號，僅通過電路的自激振蕩輸出正弦波電壓的電路。振蕩電路如圖1所示。

圖1 振蕩電路圖

(1)

則可在閉環(huán)電路輸出端得到持續(xù)穩(wěn)定的正弦波。由式(1)可得：

(2)

幅度平衡條件為：

|AF|=1

(3)

相位平衡條件為：

φA+φf=2nπ

(4)

在實際應用中，正弦波振蕩電路的初始信號往往是由電路內(nèi)部噪聲和瞬態(tài)過程的擾動引起的。這些噪聲和擾動具有很寬的頻譜，但幅度很小。為了獲得穩(wěn)定的正弦信號，必須使用頻率選擇鏈路，從噪聲或擾動信號中選擇期望頻率的分量，使其滿足相位平衡條件，而其他頻率分量不滿足相位平衡條件。為了能使振蕩從小到大，要求滿足以下條件：

|AF|?1

(5)

式(5)為正弦波振蕩產(chǎn)生的起振條件。

從式(5)可以看出， 在建立起振蕩之后，信號從小到大增長，并且不能得到一個穩(wěn)定的正弦波。實際上，信號的幅度最終受到放大電路非線性的限制。當幅度逐漸增大時，|A|將逐漸減小，最終|AF|=1，從而達到幅度平衡條件，使正弦波振蕩穩(wěn)定。

2 對稱多諧自激振蕩電路方案設計

振蕩電路通常根據(jù)選頻網(wǎng)絡中使用的元件來命名的，例如RC振蕩電路、LC振蕩電路和石英晶體振蕩電路。RC振蕩電路的特點是振蕩頻率低于 1 MHz，LC振蕩電路的特點是振蕩頻率高于1 MHz，石英晶體振蕩電路有時可以等效為LC振蕩電路。該電路的特點是振蕩頻率非常穩(wěn)定。

2.1 傳統(tǒng)多諧振蕩電路設計

傳統(tǒng)的多諧振蕩電路由兩級反相放大器組成。兩級反相放大器通過電阻電容耦合成正反饋回路。其工作過程類似于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，兩者的區(qū)別在于多諧振蕩器的兩個狀態(tài)都是準穩(wěn)態(tài)，因此可以不停產(chǎn)生矩形波而不需要外加任何觸發(fā)脈沖[6]。本設計基于集成電路，利用兩個反相器來代替兩級倒相放大器。所設計的傳統(tǒng)多諧振蕩電路如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)多諧振蕩電路

假設上電后，由于某種原因，U1的輸入端有輕微的負跳變，使U1輸出端變?yōu)楦唠娖?，U2輸出端跳變到低電平，電路進入第一暫穩(wěn)態(tài)。此后U2兩端存在電位差，由于R3的存在，逐漸將電位差釋放，從而使U2的輸入變?yōu)?，輸出跳變?yōu)?。之后再通過C4，R4到達U1的輸入，使U1的輸出變?yōu)?，U1兩端電位差被R1逐步釋放至0后重新反轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成循環(huán)，產(chǎn)生自諧振[7]。

將設計的傳統(tǒng)多諧振蕩電路用Multisim軟件進行仿真，仿真接線圖如圖3所示。仿真波形如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)多諧振蕩電路仿真接線圖

圖4 仿真波形圖

從圖4可以看出，仿真波形圖為兩個互補的方波信號。而在實際測試中，由于兩個電容器交替的充放電產(chǎn)生了電路中的兩個暫態(tài)，因此從實際效果圖中得出的波形圖下降沿是坡度下降的。但作為基本的多諧振蕩電路，頻率穩(wěn)定性很差。因此，在傳統(tǒng)多諧振蕩電路的基礎上，設計了一種對稱自激多諧振蕩電路。

2.2 對稱多諧自激振蕩電路設計

通過對傳統(tǒng)多諧振蕩電路的整形和隔離，增加了兼有延時功能的反饋網(wǎng)絡，獲得了更加穩(wěn)定的頻率。同時，輸出端放置帶有加速電容的反相器，有利于提升整個電路的帶載能力[8-9]。本文設計的對稱自激多諧振蕩器單邊電路如圖5所示。

圖5 對稱自激多諧振蕩單邊電路

圖5中：D1、D2保證了信號的單向性；D3提供了穩(wěn)定電壓；Q1與Q2組成推挽電路，同時選擇帶有加速電容的反相器，保證了輸出頻率的穩(wěn)定性[10-11]。

將圖5構(gòu)建的優(yōu)化方案的電路原理圖在Multisim軟件中進行接線仿真，同時對根據(jù)電路圖完成的樣板輸出進行檢測。對稱自激多諧振蕩單邊電路仿真接線圖如圖6所示。

圖6 對稱自激多諧振蕩單邊電路仿真接線圖

對稱多諧振蕩電路仿真波形如圖7所示。

圖7 對稱多諧振蕩電路仿真波形圖

從圖7可以看出，仿真接線圖輸出信號頻率達到15 kHz，輸出信號穩(wěn)定，與樣板所測得的波形圖頻率一致。由此可見，優(yōu)化方案的電路能夠滿足工程需要的頻率及穩(wěn)定性要求，同時達到了節(jié)約成本的目的。

3 結(jié)束語

自激多諧振蕩器是一種性能優(yōu)越的脈沖信號源，廣泛,應用于多種電路中。本文針對Middleby公司商用電磁保溫項目的脈沖信號設計要求，分析了傳統(tǒng)的多諧自激振蕩電路的優(yōu)缺點。分析表明，傳統(tǒng)電路無法應用于此項目中的結(jié)論。根據(jù)項目要求，在傳統(tǒng)多諧自激振蕩電路的基礎上，設計了性能更加穩(wěn)定的對

稱多諧自激振蕩電路。通過電路模擬仿真以及示波器對樣板進行實測，驗證了該電路方案結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟且穩(wěn)定性高、帶載能力強，能夠符合項目要求，為以后的項目推進提供了有效方案。