一种用于PWM控制器的同步电路设计*

胡荣骅 彭 洋 赵玉龙

(中国空空导弹研究院 洛阳 471099)

一种用于PWM控制器的同步电路设计*

胡荣骅 彭 洋 赵玉龙

(中国空空导弹研究院 洛阳 471099)

介绍了DC/DC变换器的宽同步应用需求,分析了PWM控制器的同步工作原理。采用或非门实现了窄脉冲发生电路,进一步实现了PWM控制器的同步电路,具有频率和占空比范围宽的特点。分别采用电流型PWM控制器UCC3800和电压型PWM控制器UC1825进行实验验证。同步输出的PWM控制信号频率与外部时钟频率一致,且振荡锯齿波波形没有发生畸变,表明该电路可用于实现PWM型DC/DC变换器的宽频率范围同步功能。

DC/DC变换器; PWM控制器; 同步功能; 宽同步频率范围

Class Number TN787

1 引言

在一个雷达接收系统中,二次电源为其他功能组件供电,通常要求输出多路不同的电压。二次电源一般采用多个不同的PWM型DC/DC变换器,它们具有各自独立的开关频率。这些频率的高次谐波通过电源线传导[1],将会对其他系统产生干扰。对于灵敏度较高的接收系统[2],干扰容易进入接收带宽内,产生虚假的接收信号。

PWM型DC/DC变换器自身的开关频率[3～4]是由内部PWM芯片外围振荡元器件(即：定时电阻和定时电容)设定。不同的DC/DC变换器由于选用了不同的PWM芯片、定时电阻和定时电容,自身的开关频率是不同的。而且,对于同一型号DC/DC变换器的开关频率,生产厂家给出的是一个区间范围,说明同型DC/DC变换器的开关频率也可能不同。

针对上述情况,在雷达接收系统设计中,要求二次电源的开关频率必须和主控时钟同步。这样,二次电源中的DC/DC变换器全部以该时钟为开关频率同频工作。通过选取合适的开关频率,即可避免开关频率的高次谐波落入接收带宽以内。同时,雷达接收系统要具有良好的抗干扰性能,就必须要求主控时钟的频率和占空比等波形参数范围宽。因此,在较宽频率范围内,实现DC/DC变换器的同步功能,并取得良好的同步效果,对实现雷达接收系统的高灵敏度和抗干扰性能具有重要意义。

2 PWM控制器同步设计原理

PWM型DC/DC变换器中,PWM控制器通过误差放大器的输出与锯齿波比较实现PWM控制信号[5],如图1所示。开关管定期导通,当锯齿波上升到与误差信号相等时开关管关断。当锯齿波的幅值上升达到PWM芯片内部设定的阈值时,下一个周期开始。

PWM型DC/DC变换器同步的实现方法是通过在PWM控制器振荡锯齿波信号上叠加一个信号,促使锯齿波提前达到阈值。这个叠加的窄脉冲使得锯齿波一下超过设定阈值,提前进入下一个周期,如图2所示。图中,fp为外加窄脉冲频率,fs为PWM控制器内部振荡器频率,fs

3 窄脉冲产生电路

图3为两个或非门和RC积分电路实现窄脉冲输出的电路原理图[6]。由或非门的逻辑关系得出,当图中A为低电平且B为高电平时,OUT2为高电平。但A变为低电平时,B端的电容C1会通过小电阻R1迅速放电,B端会由高电平迅速变为低电平,形成很窄的正脉冲输出。A点、B点和窄脉冲输出波形见图4。

实际电路中,B点波形通过小电阻R1,影响到A点波形,使A点波形不是理想方波,无法输出窄脉冲。因此,采用同相输出MIC4427进行隔离,外部时钟接MIC4427的两个输入端。MIC4427其中一路输出接A点,另一路输出接R1,避免B点波形对A点波形产生影响。或非门采用SN74128,其输入高电平最低值为2V。则输出的窄脉冲宽度为B端C1电容由V0(5V)放电至Vt(2V)时的放电时间。由R1和C1组成的RC积分电路[7～8],电容放电过程见公式(1)。

(1)

电路选取R1=50Ω,R2=10KΩ,C1=1nF,通过式(1)计算得出,放电时间t=46ns。根据或非门SN74128的器件手册,其关断延迟时间约为8ns。因此,窄脉冲宽度的理论计算结果为54ns。通过Saber软件仿真,该窄脉冲产生电路输出的窄脉冲宽度仿真结果约为54.4ns(见图4)。Saber软件的仿真结果与理论公式的计算结果一致。

为分析该电路对输入脉冲参数变化的适应情况,采用Saber软件对输入脉冲周期、脉冲宽度进行扫描仿真,窄脉冲的输出仿真结果见图5。图5(a)为输入脉冲宽度固定0.5μs,输入脉冲周期从1.25μs～8μs变化(频率125KHz～800KHz)的仿真结果。可见,该电路在输入脉冲频率改变时,输出窄脉冲宽度基本不变。图5(b)为输入脉冲周期固定2.5μs,输入脉冲宽度从0.2μs～2.2μs变化(占空比8%～88%)的仿真结果。可见,该电路在输入脉冲占空比改变时,能正常输出窄脉冲,脉冲宽度在为52ns～55ns范围内。以上仿真结果表明,该电路可适应同步信号的频率和占空比范围都比较宽。

4 PWM控制器同步实验

为验证使用该电路实现PWM型DC/DC变换器的同步功能,分别采用电流型PWM控制器UCC3800[9]和电压型PWM控制器UC1825[10]进行实验测试。

4.1 UCC3800同步实验

电流型PWM控制器UCC3800同步电路如图6(a)所示。外部时钟输入到窄脉冲产生电路,输出脉宽约90ns的窄脉冲。然后经过耦合电容C1耦合到振荡电容Ct上去。耦合电容C1选用10uF的电容,使窄脉冲良好地耦合过去。同时,窄脉冲电路末级对地阻抗足够大,减小对PWM芯片自身振荡频率的影响。电阻R1可调节窄脉冲幅度,为减小R1对锯齿波波形的影响,一般选择几十欧左右的电阻。

振荡定时电阻Rt为6.8KΩ,定时电容为0.5nF,自身的振荡频率为350KHz。外加500KHz时钟信号,UCC3800同步结果如图6(b)所示。图中,Ch1为UCC3800同步输出PWM的频率为500KHz,与外部时钟频率一致。Ch2波形为窄脉冲叠加到锯齿波后的振荡波形,锯齿波波形未发生明显畸变,同步效果良好。

4.2 UC1825同步实验

电压型PWM控制器UC1825的同步电路如图7(a)所示。同步振荡定时电阻Rt为3.9KΩ,定时电容为1.5nF,自身的振荡频率为270KHz,两个输出端OUTA和OUTB推挽输出135KHz(振荡频率的一半)反相方波。外加400KHz时钟信号,UC1825同步结果如图7(b)所示。图中,Ch1为UC1825同步输出PWM的频率为200KHz。Ch2波形为窄脉冲叠加到锯齿波后的400KHz振荡波形,锯齿波波形无明显畸变,同步效果良好。

5 结语

本文针对DC/DC变换器宽范围同步功能[11]应用需求,采用或非门构成的窄脉冲产生电路实现了PWM控制器外同步。该电路产生的窄脉冲宽度固定,只与RC电路放电时间有关,受外部时钟的频率和占空比参数影响很小。分别采用电流型PWM控制器UCC3800和电压型PWM控制器UC1825进行了实验测试验证。实验结果为PWM控制器的输出方波频率和外部时钟频率一致,且振荡锯齿波的波形没有发生畸变、无杂波,说明同步效果良好。该电路用于实现PWM型DC/DC变换器的宽频率范围同步功能,能适应宽频率范围、宽占空比范围的同步信号,具有较好的应用前景。

[1] 陈姝,刘景夏,胡冰新,等.反激式开关电源传导干扰的研究[J].电源技术,2014,38(4):764-765.

[2] 孙洪忠.空空导弹主被动雷达多模导引头研究[J].航空兵器,2007(4):12-15.

[3] 王志峰,廖晓文,王韶军,等.基于UC3842应用电路设计[J].电子设计工程,2014,22(19):126-129.

[4] 黄赞武.高频开关电源的设计[D].北京:中国农业大学,2000:35-42.

[5] Ron Lenk.实用开关电源设计[M].王正仕,张军明,译.北京:人民邮电出版社.2006:159-164.

[6] 张琦,王兴权,钟握军.窄脉冲发生电路设计及仿真[J].电子技术与软件工程,2014(16):158-160.

[7] 祁国权,任超.RC积分电路的实验设计研究[J].渤海大学学报(自然科学版),2015,36(2):106-109.

[8] 李素玲.基于Multisim的RC积分电路仿真实验教学研究[J].实验技术与管理,2015,32(3):129-132.

[9] 王慧梅,林维.基于UCC3800的开关电源的短路保护电路[J].电子元器件应用,2012,14(9):16-18.

[10] 陆鸣.1MHz开关电源适用的新颖高速脉宽调制器芯片[J].仪表技术,1997(1):40-44.

[11] 苟静.BUCK型DC-DC中关键电路的研究与设计[D].成都:西南交通大学,2014:24-37.

A Synchronization Circuit Design Used in PWM Controller

HU Ronghua PENG Yang ZHAO Yulong

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471099)

The demand of wide synchronization applied in DC/DC converter is introduced in this paper. It is analyzed how the switching frequency of PWM controller is synchronized to an external frequency source. A synchronization circuit for PWM controller is realized by a narrow pulse generation circuit using NOR gate. The ranges of frequency and duty cycle are wide. It is tested using current-mode PWM controller UCC3800 and voltage-mode PWM controller UC1825. The frequency of outputted PWM signal is consistent with the frequency of external source. The shape of oscillated sawtooth wave isn’t distorted. Experiment results show that wide synchronization frequency range function of PWM DC/DC converter can be realized by this circuit.

DC/DC converter, PWM controller, synchronization function, wide synchronization frequency range

2016年10月9日,

2016年11月25日

胡荣骅,男,硕士,工程师,研究方向：雷达导引系统二次电源设计。彭洋,男,硕士,工程师,研究方向：雷达导引系统二次电源设计、DC-DC变换器设计。赵玉龙,男,硕士,工程师,研究方向：雷达导引系统二次电源设计。

TN787

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.031