重做用SG3525的純硬件SPWM驅動板

 

    自去年我做了一款用3525的純硬件SPWM驅動后，關注的網友比較多，見：http://bbs.dianyuan.com/topic/538958（為了敘述方便，就稱這貼子為“第一版”），老壽頗感欣慰，但畢竟是實驗性的，存在的問題還不少，如:50HZ基波振蕩器的失真和溫漂問題，反饋穩壓問題等等。就象一個學書法的人，練了一段時間書法，再回過頭去看看原先寫的字，才感覺到原先寫的那些字實在不行，學電子也同樣，現在我再回過頭去看看自已原先設計的東西，才知道有很多方面的不成熟。當然，用單片機產生SPWM是很方便的，也是今后發展的趨向，但單片機不是人人都能駕馭的，象我這樣的不懂單片機編程的人很多，就是能編程的，也不是人人都能寫出好的SPWM程序來。當然，用單片機的SPWM具有性能穩定，一致性好等優點。所以，我覺得用單片機的SPWM比較適合做產品，如果要玩的話，可能還是純硬件具有挑戰性。就象現在的汽車有了自動檔，但也有很多人還是喜歡開手動檔，認為只有手動檔才有駕駛的感覺云云。

    這幾天做的這款用3525的硬件SPWM驅動器，有如下特色：

1.取消了雙電源，用單電源12V供電，供電比較簡單；

2.解決了文氏振蕩器的溫漂問題，現在我用1000W電吹風吹它，它的幅度變化在0.1Vpp左右，而第一版電路，在電吹風下要變化40%；

3.提高了正弦波的精度，用失真儀測第一版的正弦波，失真在2.5%以上，難怪看上去波頭都有點歪，現在的正弦波精度提高到0.4%，經還原后的失真度在0.7%左右，波形很漂亮了。

4.改進了穩壓電路，第一版采用的是用誤差放大器穩壓，主要是一個相位差的問題難解決，穩壓精度很低。現在，我用了直流反饋的方式，用電壓控制的放大器來閉環穩壓，精度大大提高，如果其它元件選取合理，輸出電壓可以穩定在正負2V之內。還有一個好處，因為用了直流反饋穩壓，所以反饋電路的干擾大大的減小了，調試也顯得十分簡單。

5.有商用價值，廣州那邊，已經有人用我的這個圖紙把電路封裝成厚膜電路，用在商用逆變器上。

 

重做3525SPWM驅動原理圖 

 

 

 

 

原來純硬件的PCB也可以做得這么小

 

 

 

 

一、用虛擬雙電源電路

    第一版中的電源，采用的是+-12V雙電源供電，其優點是：可以輸出幅度比較大的正弦波，但這個幅度實在是有點浪費，因為輸入到3525的饅頭波幅度只要2.3VPP就夠了。雙電源的缺點是，供電電路比較麻煩，我在500W純硬件逆變器中，是在前級的主變壓器上加了二個繞組再整流濾波獲得，當然，也可以用34063二個，來獲得雙電源。我研究了鐘工的早幾年的幾個貼子，發現他在純硬件電路中，很多采用了虛擬雙電源的技術，為此，我就拿來用了，確實比較方便，電路圖如下：

 

圖中用了一個單元的運放，可以用動態比較大一點的運放：如5532，082，084等，正向輸入端用二個電阻分壓，獲得6V的電壓，因為反向輸入端和輸出端相聯，接成跟隨模式，所以輸出端也為6V，這個6V端就是一個虛擬的“地”，而真正的地線此時變成了-6V，+12V端變成了+6V。這個驅動電路中的“文氏振蕩器”、“精密整流”、“直流壓控放大器”、“50HZ同步方波”這四部分，是工作在“虛地”即虛擬雙電源方式下，而“3525”、“時序”、“死區”幾塊電路是工作在真地模式下的。

二、改進文氏電橋振蕩電路

    文氏電橋振蕩器，因為其電路簡單，波形比較好，起振容易，所以有廣泛的應用，但它的幅度穩定性很不好，下面是典型的電原理圖：

 

    我在網上找來找去，一般都是用EFT場效應管做成壓控電阻來控制振蕩器的增益，達到穩幅的目的。但電路復雜，在用電吹風吹時候，因為場效應管的熱穩定性問題，輸出幅度會大幅度上升。下圖為我的第一版的用的電路：

 

我把它的輸出調到4VPP，但用1000W電吹風一吹，10幾秒鐘幅度就從4VPP降到2.6VPP左右，但頻率沒有變化，所以，這個電路要實用有一定困難。我分析了其中的原因，原來是二個穩幅二極管，在溫度上升后，導通內阻發生變化，使電路增益下降，最終導致輸出幅度變化。所以，要其輸出幅度穩定，首先要使電路的增益穩定。

    如果，我們把上圖中的R5,R4和二個二極管看成是一個電阻RL，那么，整個電路的增益就和RL和R3的比值有關，如果溫度上升，RL就減小，電路增益就下跌，要使整個電路增益不變，就必須R3也同時減小。為此我用了下面的電路：

 

用R26.R28.R29來代替原來的R3，當溫度變化時，熱敏電阻R29的阻值同時變化，來達到穩定整個電路增益之目的。我用的R29是一種玻璃封裝的熱敏電阻，也是在淘寶上買的，型號不詳，在25度時，阻值大約為100K左右，在70度時，阻值在26K左右，是屬于負溫度系數的產品。見下圖：

 

R28是用來補償熱敏電阻的變化速率的，可以用電吹風試驗，在溫度上升時，如果電路輸出還是下降，說明補償不夠，可以加大R28的值，如果輸出變成上升了，說明補償過度，可以減小R28的值。

經改進后的文氏電橋振蕩器，輸出幅度變得非常穩定，我曾把整個電路放進-5度的冰箱，再放進55度的烘箱，電路輸出幅度變化都控制在0.2VPP之內，如果是一般的使用環境，可以控制在0.1VPP左右。

三、提高基準正弦波的精度：

第一版的正弦波，看上去波頭總有點歪，我后來買了失真度儀，就用失真儀測了一下，真是大跌眼睛，發現失真度在2.7-3%左右。經檢查，發現是從振蕩電路出來的波形就有問題了。后來認真研究了文氏電橋振蕩電路的工作原理，發現，輸出越大，失真越厲害，輸出再加大，就越接近方波了，我發現，只有當把輸出控制在4VPP以下時，失真度最小，在0.4%左右，如果輸出繼續減小，失真度也沒有減小了，而且輸出太小，就有停振的可能了，所以，我認為，4VPP是一個比較好的輸出值。

下圖是第一版的波形，波頭有點往左歪：

 

下圖是現在新版電路的波形和失真度：

 

 

 

四、用直流反饋做AC穩壓

    第一版電路中穩壓方式用的是“誤差放大器控制法”，這是一種比較“專業”的電路，要設計得好，象我這樣的菜鳥有一定的困難，我總結了一下，有如下問題比較頭痛：

1.反饋回來的必須也是饅頭波，但在強電壓輸出條件下，干擾很難避免，一般只能在整流之前加強濾波，整流電路也很麻煩，如果要求高的話，也要用精密整流電路，我曾因“偷懶”用了4個4007進行整流，得到饅頭波。

2.反饋回來的饅頭波和原始饅頭波之間有相位差，要進行補償，這就不是一句話說得清楚的事了，太麻煩了。

3.誤差放大器的增益很難控制，放大量小了，穩壓效果不好，放大量大了，很容易自激。

    為此，我一直在想，能不能象單片機的SPWM驅動那樣，也用直流反饋方式來進行穩壓。這就必須要有一種電路，可以用直流控制增益。我在網上找過，有很多種專用的運放，可以用直流控制增益，但大多數是用于儀器儀表的，輸出幅度很小，價格昂貴，肯定用不了。只有一個MC3340，價格在6元左右，我曾買來試裝過，它可以用直流控制增益，電路如下：

 

    這塊IC，原來估計是用于音響電路中的，控制電壓在2.5-5V變化時，輸出增益可以在0-90dB之間變化，見下圖：

 

    經實際試用，發現有二個問題比較麻煩：

1.它的輸出和控制電壓之間，并不是成很好的線性關系。

2.它的反應速度很慢，也就是控制電壓變化后，輸出并不是馬上跟著變化，而是有一個延時，用在穩壓反饋電路中很不舒服。

3.附加失真太大，有0.8%-1%，也就是一個失真為0的信號進去，出來就有0.8-1%的失真了。

我曾經試裝了二塊用MC3340的的驅動板，感覺要用在逆變器電路中，還是不行，只得放棄了3340，決定另找途經。

    下圖是我在網上找到的，用結型場管做壓控電阻來調整增益的電路，類似電路還有很多。

 

經試裝，它確實能用電壓控制增益，反應也很快，但還有二個問題需要解決：

1.在輸出信號幅度較小時，放大器非線性失真嚴重，輸出正弦波很難看。‘

2.在溫度變化時，因為結型場管的內阻變化，放大器輸出幅度變化明顯。

為此，我在運放的正反輸入端各接了一個結型場管，用來抵消非線性失度和溫漂，圖如下：

 

經改進后的電壓控制放大電路，性能很好：

1.有很大的動態范轉，輸出可以從0V起調，一直到10VPP（因為沒有用軌至軌的運放）。

2.線性很好，

3.反應迅速，沒有延時的感覺。

4.附加失真很小，只有0.2%左右，也就是一個失真為0的信號進去，出來也只有0.2%的失真度。

下圖為我實驗測得的數據，做成的圖標。

 

有了這款放大電路，用來做正弦波的幅度調整，就游刃有余了，如果要做一臺，可以從零伏起調的逆變器，從原理上來講也是沒有什么困難的。

五、同步方波電路

    在時序電路中做選通用的同步方波電路，如下圖：

 

這個電路實際上是二個過零電壓比較器，該電路也是工作在“虛地”狀態，從1P和7P出來的是正負6VPP的方波，而后面的時序電路卻是工作在“真地”狀態，所以，這個正負6VPP的方波信號，對“真地”來講，就是一個0-12V之間變化的方波，因為這個巧妙的設計，所以，取消了原先第一版電路中后面的二極管直流箝位電路，比第一版要省掉6個元件。

六、減法電路：

    在第一版電路中，因為所有模擬電路都是用雙電源供電的，從精密整流電路出來的饅頭波信號，是從0V起開始上升的，為了適應3525的輸入要求（要求為0.9V起開始上升），所以要在3525的輸入端之前，加一個加法電路，把饅頭波往第一象限方向上移0.9V，所以，加法電路也稱為移位電路。

    在這款電路中，因為精密整流電路是工作在“虛地”模式下，它輸出的饅頭波信號，對“真地”來講，是從6V起開始上升，為了適應3525的輸入要求，就必須把下面的6V直流電位減去5.1V，所以，這里就不能套用第一版的加法電路，而必須用一個減法電路才行。在第一版電路中，3525的誤差放大器是放棄不用的，這次，我把3525的誤差放大器利用了起來，接成一個減法電路，調整R16就可以調整下面直流電位的高低，可以讓饅頭波信號在第一象限任意移動。

其等效電路如下：

 

 

七、元器件選擇及PCB布線要求：

  1.  圖中所有的運放，建議采用NE5532\TL082\TL084等動態范圍比較大的運放，我試過用358或324等運放，帶來的問題是穩定要差很多，還有，通過壓控放大器后，失真會變大。

  2.穩壓電路壓控放大器上用的二個場管，一定要用結型場效應管，不能用增強型的MOS管，早期的型號有3DJ6等，我用過東芝的2SK30A，效果比較好，貼片的可以用MMBFJ310或309，效果也很好。二個管子一定要用同一型號的，以保證特性的一致。

  3.熱敏電阻的要求上面已經有說明，也可以用其它熱敏系數的熱敏電阻，只要調整一下R28就可以了。

  4.PCB布線有一定要求，因為整個電路既有模擬電路，又有數字電路，所以，供電要分開，圖中+12是供給模擬電路的，VCC是供給數字電路的，模擬和數字的地線要分開走，在電解C25的負極匯總。

  5.如果輸出部分不用250光藕，用IR2110之類的，則IC107要換成CD4081。

  6.精密整流電路中的R10、R11要用萬用表測一下，盡可能配對，確保阻值相同，否則出來的饅頭波有高低。

 

下圖是為了測試純硬件驅動板，專門做的H橋，上面有一個4路隔離電源。

這個隔離電源比較簡單，性能能夠滿足一般的使用要求，在設計時得到正弦芯大師的指點，特此感謝！

TOP104工作時比較熱，所以散熱片要盡可能大一點。

電路：配套的H橋原理圖