一種基于比較器的低成本PWM控制電路

蘇 鋒

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行有效控制的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換等領(lǐng)域[1]。PWM驅(qū)動(dòng)信號主要應(yīng)用于伺服、驅(qū)動(dòng)以及能量的傳遞等領(lǐng)域，在大多數(shù)系統(tǒng)應(yīng)用中，PWM信號的產(chǎn)生和控制主要靠微處理器來實(shí)現(xiàn)。隨著PWM驅(qū)動(dòng)信號的廣泛應(yīng)用，大多微處理器內(nèi)部均集成了PWM信號控制功能。PWM信號從處理器到被控系統(tǒng)都是數(shù)字形式，在信號傳輸過程中可以將噪聲影響降到最低。在無須使用微處理器來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法和通信的系統(tǒng)應(yīng)用中，使用簡單可靠的硬件電路產(chǎn)生PWM控制信號，能有效減小電子系統(tǒng)體積，同時(shí)無須晶體振蕩器提供時(shí)鐘，PWM控制信號精度更高，抗干擾性能更強(qiáng)[2]。

1 PWM驅(qū)動(dòng)信號的控制

PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，直到20世紀(jì)80年代隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，PWM控制技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了空前的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，最常用的是基于微控制器的PWM控制技術(shù)。基于微控制器的PWM控制電路原理框架如圖1所示。

在工業(yè)控制、伺服控制以及通信產(chǎn)品等的設(shè)計(jì)中，需要利用微控制器進(jìn)行復(fù)雜的狀態(tài)控制，基于軟件控制的PWM控制方法具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。但是在純硬件功能電路實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)中，微控制器的使用將額外增加微控制器及其配置電路模塊，同時(shí)存在軟件穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)，不利于系統(tǒng)的小型化、高可靠性設(shè)計(jì)。

2 基于比較器的PWM控制方法

2.1 控制電路

基于比較器的PWM控制電路原理框架如圖2所示。

圖2 基于比較器的PWM控制電路原理框架

控制電路主要由方波發(fā)生電路、占空比調(diào)節(jié)電路、隔離輸出電路以及高壓反饋電路組成，方波發(fā)生電路、占空比調(diào)節(jié)電路和隔離電路共同作用產(chǎn)生動(dòng)態(tài)開關(guān)的控制驅(qū)動(dòng)信號。此外，方波發(fā)生電路主要產(chǎn)生特定頻率的方波信號。占空比調(diào)節(jié)電路主要對方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波信號進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)，最終輸出具有固定頻率、占空比的控制信號。隔離輸出電路的主要功能包括3個(gè)方面：一是對控制信號輸出隔離，提高抗干能力；二是提高驅(qū)動(dòng)信號的驅(qū)動(dòng)功率，從而提高控制信號的驅(qū)動(dòng)能力；三是減少驅(qū)動(dòng)信號上升沿和下降沿的時(shí)間，以減少功率開關(guān)管的開關(guān)損耗[3]。

2.2 控制參數(shù)計(jì)算

根據(jù)分析，動(dòng)態(tài)開關(guān)控制信號的控制參數(shù)主要在方波發(fā)生電路和占空比調(diào)節(jié)電路中調(diào)節(jié)。方波發(fā)生電路等效電路如圖3所示，占空比調(diào)節(jié)電路等效電路如圖4所示。

圖3 方波發(fā)生電路等效電路

圖4 占空比調(diào)節(jié)電路等效電路

方波發(fā)生電路主要由比較器、電阻和電容組成具有滯回比較特性的比較電路，該電路具有輸出慣性，具有一定的抗干擾能力。占空比調(diào)節(jié)電路主要由比較器、電阻和電容組成比較電路，對方波發(fā)生電路輸出方波信號的高電平進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)輸出信號的占空比調(diào)節(jié)。通過對電路參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，從而計(jì)算出動(dòng)態(tài)開關(guān)控制信號的各參數(shù)值。

當(dāng)電路上電工作時(shí)，比較器M1輸出端高電平U1=UCC，此時(shí)比較器M1正輸入端電壓即為輸出端電平由高跳低的閾值電壓。設(shè)該閾值電壓為UT1，則：

當(dāng)U2充電至UT1時(shí)，比較器輸出電平由高跳低，此時(shí)比較器M1正輸入端電壓即為輸出端電平由低跳高的閾值電壓。設(shè)該閾值電壓為UT2，則：

由電路可知，電容C1通過電阻R1在閾值電壓UT1、UT2之間周期性地進(jìn)行充放電，電容C1充電與放電的時(shí)間常數(shù)均為R4C1。設(shè)電容C1電壓由UT2充電至UT1所用的時(shí)間為T1，由UT1放電至UT2所用的時(shí)間為T2，則方波信號的高電平時(shí)間T1為

方波信號的低電平時(shí)間T2為

當(dāng)比較器M1輸出低電平時(shí)，比較器M2也輸出低電平。當(dāng)比較器M1輸出高電平時(shí)，比較器M2正、負(fù)輸入端電壓為

比較器M1輸出高電平的時(shí)間T3為

控制信號的占空比q為

3 分析及驗(yàn)證

通過以上分析，調(diào)整電壓比較電路的R1、R2和R3可以改變閾值電壓的幅值。為了提高電路的抗干擾能力，R1、R2和R3的選擇要確保UT1-UT2具有較大的值。此外，調(diào)整電阻R1、R2、R4和電容C1的數(shù)值可以改變電路的振蕩頻率。為了提高電路的抗干擾能力，電路振蕩波形的設(shè)計(jì)應(yīng)為其他電路單元無法產(chǎn)生的波形或噪聲。在頻率不變的情況下，調(diào)整R5、R6、R7和C2可以改變控制信號的占空比。對于R5、R6、R7和C2參數(shù)的選擇，要確保T3＜T。根據(jù)理論分析，控制信號最大占空比小于50%。在比較器的選型上，單位增益帶寬要滿足振蕩頻率的設(shè)計(jì)要求[4,5]。實(shí)驗(yàn)過程中，使用LM2904比較器，取R1=R2=9.1 kΩ，R3=4.7 kΩ，R4=7.5 kΩ，C1=0.01 μF，R5=3.3 kΩ，R6=4.3 kΩ，R7=820 Ω，C2=0.022 μF。

方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波波形如圖5所示，其高電平時(shí)間為146 μs。由于比較器上升沿、下降沿時(shí)間較長，因此產(chǎn)生的波形不是嚴(yán)格意義上的方波。

圖5 方波發(fā)生電路產(chǎn)生的方波波形

經(jīng)過占空比調(diào)節(jié)的隔離輸出信號如圖6所示，其高電平時(shí)間為16 μs。經(jīng)過隔離整形后，方波的上升沿、下降沿時(shí)間較短，符合開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號的要求。

圖6 占空比調(diào)節(jié)后的隔離輸出信號

4 結(jié) 論

綜上所述，基于比較器的PWM控制電路由比較器、電阻、電容分別組成方波發(fā)生電路和占空比調(diào)節(jié)電路，通過對電路參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，能夠有效提高電路的抗干擾能力。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該控制電路輸出的控制驅(qū)動(dòng)信號各項(xiàng)參數(shù)值與理論計(jì)算值相符，同時(shí)輸出端輸出的PWM控制信號參數(shù)符合動(dòng)態(tài)開關(guān)控制信號的要求。與基于微控制器的控制方法相比，其設(shè)計(jì)方法簡單，值得借鑒。