PWM控制芯片认识及外围电路设计实验

华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书实验三十五PWM控制芯片认识及外围电路设计实验（电力电子学—自动控制理论综合实验）一、实验原理1．PWM控制电力电子电路控制中广泛应用着脉冲宽度调制技术（PulseWidthModulation,简称PWM），将宽度变化而频率不变的脉冲作为电力电子变换电路中功率开关管的驱动信号，控制开关管的通断，从而控制电力电子电路的输出电压以满足对电能变换的需要。由于开关频率不变，输出电压中的谐波频率固定，滤波器设计比较容易。PWM控制的原理可以简单通过图35-1理解。图中，V1为变换器输出的反馈电压与一个三角波信号Vtri进行比较，比较电路产生的输出电压为固定幅值、宽度随反馈电压的增大而减小的PWM脉冲方波，如图中阴影部分所示。若将该PWM方波作为如图35-2所示的直流降压变换器的开关管的驱动信号，当输出电压升高时，输出电压方波宽度变窄，滤波后输出直流电压降低，达到稳定到某一恒定值的目的。由PWM控制的原理可知，实现PWM控制应该具备以下条件：图35-1PWM控制原理t1VtriV+−triV1V图35-2直流－直流降压变换电路(Buck电路)Buk电路Uo(+)(1)有三角波或阶梯波这样具有斜坡边的信号，作为调节宽度的调制基础信号；从图35-1可以知道，三角波的频率就是使图35-2中开关管通断的开关频率。(2)有比较器以便将调制基础信号和反馈电压信号进行比较产生PWM信号；集学科优势--求改革创新19华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书(3)对反馈电压幅度的限制门槛电压，以使反馈电压不至于超过三角波昀高幅值或低于三角波昀低值。一旦超出其昀高值或低于昀低值，2个信号没有交点，将出现失控情况；(4)若同时需要控制多个开关管，尤其是桥式电路的上下桥臂上的一对开关管时，应具有死区电路。死区即上下桥臂的两个开关管都没有开通脉冲、都不导通的时间，以便待刚关断的开关管经历恢复时间完全关断后，再让另一开关管开通；(5)有反馈控制环节（即恒定的电压给定、误差放大器及调节器（或校正环节）、功率放大电路）；(6)按照一定逻辑关系开放脉冲的逻辑控制电路。按照上述原则，已经有很多集成的PWM控制芯片面世，在芯片上集成了PWM控制的许多环节，结合芯片的外围电路，具备了所有的PWM控制功能。采用集成方式实现PWM控制，具有很多优越性，不仅成本和体积上具有优势，而且在降低电磁干扰、降低设计难度上也有明显的优点。本综合实验主要采用比较常用的PWM集成芯片TL494，下面给出了有关它的介绍以及基本设计原则。其它常用的PWM芯片如CW3524等，详见本实验附录，或自行查询相关资料，以便完成设计。2．集成PWM控制芯片TL494及外围电路介绍TL494是美国德克萨斯公司研制的PWM芯片，16端双列直插形式，具有两路输出（从Ta、Tb两个开关管输出）。它将PWM控制所需要的功能，包括控制器（误差放大器等），都集成到一片芯片上，加上外围电路，组成了比较完善的PWM控制器。图35-3是其电路功能方框图。其引脚说明及外围电路如下。(1)芯片电源12端接输入工作电压，7端接地。工作电压由于电路的实际情况不同而在一定范围内变化。能工作于较宽的电源电压范围是PWM控制芯片的一大特点，使它可以方便地应用于各种场合。CCV芯片内部还有一个稳压电源，将芯片12端输入的供电电源变换成稳定的5伏直流电压，供内部各电路用，也可供作为控制器（调节器）的标准给定电压，从14端引出。(2)输出方式控制端——13端：①若13端接地、V13为低电位时，P=0，D=0，E=0，G1=C=G2，Ta、Tb两路输出相同，如图35-3中所示，即单路输出。若实验电路中只需要驱动一个开关管，则将13点接地用单路输出；若将两路并联可扩大输出容量。②若13端接+5V（可接芯片内的稳压直流5V电源），V13为高电位时，P=1，CQG+=1，CQG+=2：集学科优势--求改革创新20华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书在C=1时，G1=0，G2=0，Ta，Tb都截止，无驱动信号；若C=0，Q=0时，G1=1，驱动Ta，G2=0，Tb截止；若C=0，Q=0时，G2=1，驱动Tb，G1=0，Ta截止。这时G1、G2的输出相差180°，为双路输出，可供作桥式电路的上下开关管的驱动脉冲。双路输出时G1、G2的电位或Ta、Tb的通、断状况与片内的R-S触发器状态有关。+−+−QTRTCCKQ0.12V+−+−12mA7.0CCVrefVGNDTCTR65412315167148911101213ccV+34fVgVMIFI电压误差信号端锯齿波死区时间比较器封锁端V4高封锁5.0V死区时间比较器PWM比较器或门JKKJ+=CPDCCCE与门输出电压调节器电流比较器1D2DCTV0.7+振荡器触发器XYV3起动和保护电路M1M215V+RPA驱动电路G1S1G1G2TaTb15V+C0R0G2S2AV4VBBVCTv＋－＋－图35-3PWM集成电路芯片TL494原理框图(3)振荡器和锯齿波发生器——5端和6端：当6端外接电阻，5端外接电容时，在5端将产生频率TRTC)(1.1TTCRf=的锯齿波。CTV(4)误差电压调节器（控制器）——1、2端（输入）和3端（输出）：芯片的2、1两端引入PWM变换器输出电压的给定值和反馈值，作为误差电压调节器的输入，3端为电压调节器输出的误差电压，gVfV3V)(3gfVVKV−=，K为误差电压调节器的直流增益。误差电压送至后级的PWM比较器的同相端，以便按照误差大小形成PWM控制脉冲。反相端电压为3VCTV+V7.0。(5)PWM形成电路图35-3中，当3)V7.0(VVCT+时，PWM比较器输出K点的电压＝“1”（高电位），C点为高电位，或非门输出GKV1、G2点电位为零，Ta、Tb截止，无输出信号，这时对应的变换器主开关管T1、T2截止。集学科优势--求改革创新21华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书当时，PWM比较器输出电压＝“0”（低电位），C点电位为零，G3)V7.0(VVCT+KV1、G2点为高电位，Ta、Tb有信号输出，对应的变换器主开关管T1、T2导通。如此在锯齿波周期中循环通断，形成PWM波，见图35-4。CTv+7.0V7.0CTvCTmV+7.0CTmVCTmVCTmV+7.0412.0VV+V12.0=V12.0V7.0CTv+7.00dtdtJKKJC+=21GGofftont)(3AVV图35-4起动过程中G、脉冲逐渐变宽12G(6)脉冲封锁及死区控制4端为输出脉冲封锁控制端，当4端电位加0.12V高于锯齿波电压时，死区时间比较器的输出J点为高电位，使C点为高电位，两个或非门的输出G4VCTV1、G2点为零电位，Ta、Tb截止，无输出信号，即封锁输出脉冲，停机。因此，在起动变换器前，或在变换器故障保护时需要封锁开关管脉冲时，均可通过外围电路设计，使芯片的4端电位为高电平（5V）来实现。脉冲波形见图35-5。4V分析图35-3可知，要G1、G2为高电位，Ta、Tb导通，使变换器主开关T1、T2被驱动导通，必要条件是图中C=0，即要J=0；而J=0的必要条件是。正常工作时，图35-3中已被充电到＋15V，起动和保护电路的输出端4点电压，满足TV12.04+VVCT0C0V4=1、T2被驱动导通的必要条件。图中锯齿波电压在一个开关周期中从零线性上升到昀大值。在V12.04+VVCTCTVSTCTmVV12.04+VVCT的期间，J为高电位、C为高电位，Gdt1=G2=0，封锁脉冲，T1、T2都截止。故被称为死区时间。由于，Tdt0≠dt1、T2被驱集学科优势--求改革创新22华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书动导通的昀大脉宽时间SdSonTtTt−=max。(7)软起动控制电力电子变换器在起动时，若突然开放脉冲而且有较宽的宽度，会导致电路中出现较大的冲击电流，例如电路中存在大容量电容时的充电电流；电路中存在变压器类元件时突然开放很宽的脉冲，会出现磁路饱和而出现很大的冲击电流；电路作为电机一类负载的供电电源时突然开放脉冲导致的脉动转矩，都将导致电路出现过大电流而损坏电路元件。因此，电力电子变换电路中，一般要采用“软起动”的方式，即接收到“起动”指令后，使开放的脉冲宽度从零开始增大，逐渐变宽至正常工作所需要的宽度。利用PWM控制芯片中的脉冲封锁端，使其电位逐渐变化至完全开放所需要的值，即可以实现软起动，可以避免出现较大的冲击电流。TL494芯片中，利用脉冲封锁端4端作为软起动控制端。起动开始，采用起动电路使输出端4从接地点断开，在＋15V电源经对充电过程中，从＋15V逐渐下降为零。由图35-3～图35-5可以看到，在瞬时值0R0C4VV12.04+VVCT时J=0，才能使G1G2为高电位而开启驱动信号。所以在起动过程的逐个周期中、J=0，GST1、G2的脉宽时间从零逐渐增大，使输出电压逐渐上升，实现软起动。ontCTvCTvCTmV.VVVv12.012.1512.04→=+CTvSTSTJC21GG、STSTont图35-50V13=稳态工作时单路输出驱动信号G21G=波形集学科优势--求改革创新23华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书(8)电流比较器及其作用芯片中还有一个与误差电压调节器类似的调节器，用作电流控制（限制）。在电力电子PWM变换电路中，当负载电流长时间超过额定电流，由于电压调节的关系，脉冲长时间处在很宽的情况下，虽然电路电流未达到保护动作电流，但是此时变换器输出功率超过允许负荷，长时间超符合工作会导致电路故障并影响开关管寿命。因此这时需要对电流进行限制，将原来的PWM控制方式的稳压运行方式转换为限制电流的不稳压方式，即电流长期超过额定电流时，不再进行增大脉宽的稳压PWM控制，转换为电流增大而脉冲宽度减小的限流控制。限流控制方式利用芯片的15、16端的电流调节器。通常在变换器主电路中接入霍尔电流传感器HL，分别检测主电路电流。从15端输入DC/DC变换器电流的允许极限值，16端接霍尔电流传感器检测到的实际电流检测值，正常工作时，，电流比较器输出端=0，不影响电压调节器的输出电压。一旦过流，，电流比较器输出端Y输出高电位，使为高电位，且VMIFIMFIIYV3VMFII3V3＞（VCT+0.7V）时，K=1，C=1立即封锁输出信号。二、实验目的1．掌握PWM控制芯片的工作原理和外围电路设计方法。2．掌握控制电路调试方法。3．了解其它PWM控制芯片的原理及设计原则。三、实验内容1.设计基于PWM芯片的控制电路，包括外围电路；电路要求具有以上原理介绍中PWM控制的几个基本功能，分别按照单路输出、双路推挽输出（具有约5μs的死区）两种不同方案进行设计，开关频率设计为10KHz；具有软起动功能、保护封锁脉冲功能，以及限流控制功能。电路设计方案应尽可能简单、可靠。2.自行在面包板或通用板上搭建以上设计的控制电路。3.设计并搭建能验证你的设计的外围实验电路（在不接通主电路的情况下），并通过调试验证设计的正确性。4.扩展性实验要求：针对其它的PWM控制芯片（本实验附录中介绍的，或自行查询的资料），进行设计，并针对这些芯片的不同功能部分进行探讨和设计。四、实验设备1．PWM控制芯片TL494等，以及有关的外围电路元件；控制电源2．面包板或通用版3．示波器五、实验步骤集学科优势--求改革创新24华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心信号与控制综合实验指导书根据实验内容要求，自行拟定实验步骤。六、实验报告1．画出所设计搭建的PWM控制电路及实验电路图。2．确定电路中的各种参数。3．绘出实验电路波形（脉冲波形和软启动有关波形）。4．其它功能方面的验证实验说明。七、实验思考题1．如何验证你设计的基于PWM芯片的控制电路所具有的保护功能？2．以你自己