一种死区时间控制电路的设计

李 铜，魏晓伟

(西华大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610039)

一种死区时间控制电路的设计

李 铜，魏晓伟

(西华大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610039)

在交流方波电镀电源的输出控制中，需要获得脉冲宽度可调同时有死区时间控制的控制脉冲信号来触发大功率开关管，常规的控制芯片不能满足要求，因此只能通过单片机的控制方式来实现；本研究中的单片机正好没有互补PWM输出功能，针对该问题利用单稳态电路原理设计出一款既能得到PWM互补输出，同时又能够控制死区时间的逻辑电路；常规门电路的时差响应问题给输出带来可致命的干扰信号，利用MOS管搭建异或门电路，削弱了干扰信号的幅值，成功地将干扰信号过滤掉；最终得到输出稳定可靠、互补、死区时间可调整的PWM信号。

死区时间；控制电路；单稳态电路；单片机

0 前言

在PWM控制技术中，死区时间是必须考虑的[1]。死区控制在很多的脉冲信号控制芯片中都得到应用，其控制方式也不尽相同，主要控制方式有两种：(1)改变振荡电路中电容器的充电电压阈值，典型的应用芯片有SG3525等；(2)单片机中有PWM输出功能，它是利用计数器计数功能来触发RS触发器。这些都是目前使用非常成功的应用案例。

1 问题来源

本研究在一款方波交流电镀电源的设计过程中，最初选择单片机时忽略了单片机的PWM输出功能问题，所选型号为PIC16F73，该型号单片机的两路PWM输出频率相同，但不能得到互补信号；虽然可以通过外部非门电路实现互补，而且可以分别改变占空比，但是不能有效地控制死区时间，即互补信号的死区时间为零，这样对于主电路中全桥结构的两对开关管是绝对不允许的，因为会导致直通。为此针对这个缺陷设计出一款新的死区控制电路。

2 电路原理

2.1 控制思路

控制逻辑框图如图1所示。将可调频率和脉冲宽度的低频信号一路经过非门，另外一路直通，得到两组同频率互补的脉冲信号A、B，再分别进入单稳态电路A、B。根据其原理，单稳态触发器的输出只有1和0两种状态[2]，以此来设定两组信号之间的死区时间；每组信号只能触发一个单稳态电路，而且单稳态电路是利用下降沿触发得到，因此将两组信号分别触发两组单稳态电路，然后将信号B和单稳态信号A的输出信号通过异或门电路A来输出信号A，此死区时间产生于信号A的下降沿与信号B的上升沿之间。再将信号A和单稳态信号B的输出信号通过异或门电路B，从而得到输出信号B，此死区信号产生于信号A的上升沿与信号B的下降沿之间。那么，两组信号共同输出就能得到所需的两组互补输出信号，同时两组信号之间又有死区时间控制。

图1 控制逻辑框图

2.2 控制原理

控制原理如图2所示。输入脉冲信号经过IN端输入，一组信号经过ULN2003A非门电路并进行功率放大后分成两路：一路去触发由NE556第一单元构成的单稳态触发电路，输出一个单稳态脉冲信号，其脉冲输出频率随输入信号频率变化而变化；另一路接由MOS管VF2构成的异或门电路。

图2 控制原理

另外一组输入信号经过两极非门反相得到同相位信号，其原因如下：(1)脉冲信号来源于PIC系列单片机I／O端口，其带负载能力有限，因此需要将信号进行功率放大。(2)该信号的后级有一个较重的负载，即由MOS管构成的异或门电路，如果拉大MOS管的上拉电阻阻值，则脉冲波形很容易失真，特别是上升沿时间太长，减小上拉电阻很明显就会给它的供电上级提出较高的过载能力要求，因此对输入信号进行功率放大是必不可少的。

两组互补无死区信号分别触发单稳态电路，单稳态信号的输出接异或门的栅极(G)同时交叉接异或门的漏极(D)。其逻辑关系如图3所示，A点信号在下降沿时会触发单稳态电路动作，经过单稳态电路输出得到C点信号；同理，B点信号在下降沿时触发另一路单稳态电路动作，输出得到D点信号。然后将A点信号与D点信号进行异或，B点信号与C点信号异或，从而分别得到F点和E点信号。这两组信号在时域中就是所要求的互补同时又有死区时间的PWM信号。在单稳态电路中，改变RC值就可以改变脉冲宽度tp，从而进行定时控制[2]。因此本研究中的死区时间可以通过RP*1和RP*2分别调节，其调节时间为：tA＝1.1RP*1C3，tB＝1.1RP*2C6。

2.3 设计特点

异或门电路单元4070控制原理如图4所示，结果出现了非常棘手的毛刺干扰信号。

使用Multisim对图4中的电路进行仿真，结果也跟着输出了一个同幅度的尖峰毛刺信号，从示波器中也证实了这个毛刺信号的存在，其幅值和频率与仿真效果图如出一辙；然而这个信号的持续时间非常短暂，约50 ns，显然这个毛刺信号在全桥结构中是非常危险的，因为这个毛刺的存在会导致构成全桥的开关管形成短暂的直通现象，这是绝对不允许的。那么这个毛刺是怎样产生的呢？经过仔细观察和分析得出：这个毛刺信号比B点和C点都要滞后一些，显然是因为B点和C点信号的不完全同步造成的，也就是说B点信号的上升沿和C点信号的上升沿并不是绝对的同时发生，实际上也是不可能同时发生。因为有时间差，那么高速翻转的异或门电路因为检测到了两个输入门极有相异的信号产生，那么肯定会在输出门极产生一个高电平输出，但是输入端相异所存在状态的时间非常短，因此异或门会在输出50 ns的时间又停止高电平输出，至于异或门输出滞后于B点和C点的上升沿那是因为异或门电路的传输特性决定的。

图3 逻辑关系

图4 采用异或门控制原理

通过仔细分析，因为这个毛刺信号是绝对不允许存在的，但是其幅值与所需要的脉冲信号一样，因此不能采用比较器的办法过滤掉；其频率与开关信号频率一样，也不能通过滤波的办法将它过滤掉。

本研究采用如图2所示结构。将B点信号去MOS管漏极(D)，而将C点信号去MOS管栅极，这样也如图5所示，图5中的波形分别是图4中B、C和Out1这三点的波形图。可以明显看到是单稳态电路的脉冲输出波形，即所设定的死区控制时间波形，而B点的波形则是从单片机输出经过一级反相和功率放大的波形，Out1的输出波形表面上看确实是在B点波形的基础上删掉了死区时间波形，但是明显发现在B点和C点的上升沿脉冲触发的同时，输出端起到了异或门的作用。经过实际测试，虽然这种办法有一定效果，但是毛刺信号仍然存在，而且频率和时间宽度也基本一样，唯一不同的是毛刺信号的幅值约为开关脉冲信号幅值的60%。既然能够削减毛刺信号的幅值，那么这种应用就是切实可行的，因此将毛刺信号经过高速比较器进行处理过滤，也就是为什么本研究在原理图中的输出级加了两个比较器的原因。

图5 仿真结果

3 结论

(1)通过仔细调整元器件参数，最终控制死区时间的PWM信号输出。

(2)利用MOS管搭建的异或门电路取代了通用的异或门电路，从而消除了不同步问题带来的毛刺干扰信号。

(3)通过不断优化电路结构和参数，最终弥补了单片机PWM输出不能互补的设计缺陷，使得该电路得到成功应用。

[1]黄 俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，1992：208-211.

[2]秦曾煌.电工学[M].北京：高等教育出版社，2004：322.

Design of deadtime control circuit

LI Tong，WEI Xiao-wei
(College of Meteria Science＆Engineering，Xihua University，Chengdu 610039 China)

Under the output control of AC square wave plating power supply the pulse signal in which pulse width is adjustable and dead time can be control is used to trigger the high powers switching tube.However the conventional control chip can't meet those requirements,the control method of SCM are able to get those goals.According to the problem that some single-chip microcomputers is lack of PWM output，a logic circuit，which has functions of complementary PWM output and controlling the dead time，is designed on the basis of monostable circuit principle.However，the response to the time difference of conventional gate circuit causes a great quantity of fatal interfering signals to the output.This paper has developed a type of XOR gate circuit by using MOS tube structures，which can attenuate the amplitude of the interference signal，and thus filter out the interference signal successfully.Finally we can get a stable，reliable and complementary PWM output signal with adjustable dead time by this method.

deadtime；control circuit；monostable circuit；single-chip

TG434.1

A

1001-2303(2012)03-0044-04

2011-06-21；

2011-12-02

李 铜(1979—)，男，四川阆中人，工程师，硕士，主要从事焊接电源及焊接自动化方面的研制工作。