CD4046锁相环在感应加热电源中的应用
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本文利用 CD4046 锁相环的特点 ,配合比较器 N ,巧妙地实现了相位补偿 。图 6 为相位补偿原理 图 。在 N 的正向输入端加一偏置电压 Up ,使 N 的输 出信号上升沿提前ΔT 时间 ,锁相环对应的输出信 号作为图 3 中 S1 的驱动信号 ,反相后作 S2 的驱动信 号 ,驱动信号相对电流而言 ,提前了ΔT 时间 ,而ΔT 就是相位补偿时间 。电容 C 和二极管 VD 对采样电 流信号 i 起整流滤波作用 ,Up 与 i0 的幅值成正比 。 这样 ,可保证ΔT 不随 I0 的幅值波动而变化 。调节 电位器 W ,即可根据需要调节ΔT 的值 。
图 5 它激到自激的转换电路
6 相位补偿的实现
在实际电路中 ,电流采样 、锁相跟踪 、隔离驱动 和 MOSFET 的开关都需要时间 ,这将引起负载电压 U0 滞后 i01 个角度 ,使得逆变器实际工作在容性负 载状态 。它一方面使 MOSFET 在大电流处开通 ,另 一方面使电源的功率因数降低 ,影响功率输出 。基 于此原因 ,必须在实际电路中加入相位补偿环节 。
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研究与设计 电焊机 ,2000 (6)
图 4 频率跟踪电路
加 VCO 频率 ,以便使其上升沿进入适当的相位 , 于 是鉴相器 2 的输出置为高电平 ,导致环路滤波器给 VCO 输入端充电 (即 9 脚电位升高) ,增加 VCO 的频 率 。一旦检测到 3 脚信号的前沿 ,输出就变为高阻 态 ,保持 VCO 输入电压等于环路滤波器的电压 ,若 VCO 仍然滞后于 14 脚 ,则鉴相器就会在 2 个波形的 前边沿时间内继续给 VCO 输入端充电 ,直到 2 个波 形的上升沿一致 。
如果 3 脚超前 14 脚 ,则当 VCO 的前沿出现时 , 相位比较器 2 的输出就变为低电平 。这样环路滤波 器放电 ,直到检测到 14 脚的前沿为止 。此时环路滤 波器的输出又无效 ,从而降低了 VCO 频率 ,重新使 得两个波形的上升沿一致 。
当 4 脚信号 (VCO 输出信号) 与 14 脚信号 (相位 比较器 2 输入信号) 正边沿之间相差为 0°时 ,相位比 较器 2 迫使 PLL 锁定 。
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研究与设计 电焊机 ,2000 (6)
CD4046 锁相环在感应加热电源中的应用
熊腊森 ,全亚杰 (华中理工大学 ,湖北 武汉 430074)
摘要 :采用了 LEM 电流传感器 、电压比较器和 CD4046 锁相环对负载电流实现了频率跟踪 ,使逆变器工作在功率因
100 pF ≤C1 ≤0101μF。 相位脉冲输出端 (1 脚) ,用于表示锁定或 2 个 信号之间的相位差 。如果相位脉冲端输出高电平 , 表示处于锁定状态 。在信号输入端无信号输入时 , 压控振荡器被调整在最低频率上 。
4 锁相环频率跟踪电路
图 3 给出了对应的逆变器主电路[2] 。若将负载 电压 U0 和负载电流 I0 的信号采样后 ,送至 CD4046 的相位比较器 2 ,则可使 U0 和 I0 的相位差为零 ,即 逆变器工作在负载谐振状态 。
图 位比较器 1 是异或门 ,产生 1 个数字信号 (2 脚) ,并在“信号输入”与“相位比较器输入”信号之间 的中心频率处维持 90°相移 (要求输入信号占空比为 50 %) 。
相位比较器 2 由逻辑门控制的 4 个边沿触发器 和 3 态输出电路组成 ,产生数字误差信号 (13 脚) 和 相位脉冲输出 (1 脚) ,并在“信号输入”与“相位比较 器输入”信号之间保持严格同步 ,产生 0°相移 (与占 空比无关) 。故本文采用相位比较器 2 。
图 4 中 R3 、R4 和 C4 构成了低通滤波器 ,它是锁 相环正常工作中不可忽视的部分 ,其时间常数限制 了系统跟踪输入信号频率变化的速度 ,同时也限制 了捕捉范围 。另外 ,环路滤波器还能帮助防止噪声 电压干扰环路的正常工作 。这是由于存储在环路滤 波器上的电容能帮助很快重新捕获因噪声尖峰或其 它瞬态效应丢失的信号 。如果时间常数过长 ,会使 环路跟踪在较快变化的输入频率时引起过度的延 迟 ;而过小 ,使环路跟踪快速变化的输入信号会引起 压控振荡器输出频率的反常变化。一般取 R3 = 470Ω, R4 = 47 Ω , C4 = 011μF。最佳的工作状态是电阻 R4 的阻值为电阻 R3 的 10 %～30 %。
另外 ,为了防止逆变桥上下桥臂的直通短路 ,对 (下转第 19 页)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
研究与设计 电焊机 ,2000 (6)
施加于相位比较器的有输入信号 Vi ( t) 和压控 振荡器的输出信号 Vo ( t ) 。相位比较器输出信号 Ve ( t) 正比于 Vi ( t) 和 Vo ( t) 的相位差 。Ve ( t) 经低 通滤波器滤去高频成分后得到一个平均电压Vd ( t) , 去控制压控振荡器的频率变化 ,使输入与输出信号 频率之差不断减少 ,直到这个差值为零时锁定 ,实现 频率跟踪 。
1 引言
应用于钎焊 、熔炼等热加工工艺的感应加热电 源在运行过程中 ,随着负载温度升高和炉料的熔化 , 负载等效参数会产生时变 ,从而引起负载固有谐振 频率的变化 。为了使逆变器始终工作在功率因数接 近或等于 1 的准谐振或谐振状态 ,控制电路必须能 够实现频率自动跟踪 。
本文 采 用 LEM 电 流 传 感 器 、电 压 比 较 器 和 CD4046 锁相环对负载电流进行频率跟踪 ,实现了功 率器件的零电流开关 ( ZCS) ,减小了开关损耗和电 磁干扰 ( EMI) 。由于在电路刚起动时 ,电流反馈信 号为零 , CD4046 不能入锁 。本文提出了一种利用 CD4046 自身特点实现的它激到自激的转换电路 ,很 好地解决了这一问题 。另外 ,加上相位补偿电路的 引入 ,最终实现了频率自动跟踪控制 。整个电路具 有跟踪速度快 、跟踪频率准确 、保护容易 、抗干扰能 力强等优点 。
低通滤波器的时间参数决定了跟随输入信号的 速度 ,同时也限制了 PLL 的捕捉范围 。
收稿日期 :2000 —04 —17 作者简介 :熊腊森 (1947 —) ,男 ,湖北人 ,副教授 ,1983 年～1984 年美国威斯康星大学机械工程系访问学者 ,从事焊接教学与科研 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
研究与设计 电焊机 ,2000 (6)
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3 CD4046 锁相环的逻辑结构
从图 2 中可以看出 ,CD4046 包含了 2 个相位比 较器 (鉴相器) 、1 个压控振荡器以及 2 个附加部分 , 即输入信号源极跟随器和稳压管 ,比较器有 2 个共 同输入信号端 (3 和 14 脚) “, 信号输入”既可以与大 信号直接匹配 ,又可以间接地通过串联电容接入小 信号 。自偏置电路可在放大器的线性区域调整小电 压信号 。
由于图 2 中使用的是相位比较器 2 ,具体的工 作原理如下 。
首先假设 14 脚信号超前 3 脚 ,也就是说必须增
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
数接近或等于 1 的准谐振状态 ,并分析了电路中的相位补偿和起动问题 。
关键词 :感应加热 ;频率跟踪 ;功率因数 ;相位补偿 ;锁相环 中图分类号 :TG454 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 2303 (2000) 06 - 0014 - 04
Application of CD4046 in induction heating power source XIONG La - sen ,QUAN Ya2jie
2 锁相环功能原理
锁相环简称为 PLL ,主要由 3 个基本单元构成 :
相位比较器 PD 、压控振荡器 VCO 和外接的 R、C 无 源低通滤波器 LPF。CD4046 包含前面 2 个单元 ,使 用时外接低通滤波器 ,从而形成完整的锁相环。 PLL 功能框图如图 1 所示 。
图 1 PLL 功能框图
( Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074 ,China)
Abstract : The frequency tracking of load current is implemented by the current transducer LEM、voltage comparator and CD4046 in this paper. The inverter operates at the quasi - resonant or resonant condition that the power factor is nearly of equal to unity. Moreoner ,this paper analyzes the phase compensation and question of starting. Key words : induction heating ;frequency tracking ;power factor ;phase compensation ;phase lock loop (PLL)
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会导致换流时间太长使占空比损失 。一般 , Cs 的值 应取 5 nF～30 nF 左右 。Cr 的值一般应该取得比 Cs 的值大 5～30 倍比较合适 , 以满足 V F 的零电压关 断 ,并且不使有效占空比变得太少 。L r 的值影响 V F 开通时和整流桥上桥臂两管关断时的电流上升率 , 应主要根据流过 V F 管的最大电流的值进行选取 , 一般选择 1～10 μH。由于 V7 、V8 只在极短的时间 内流过电流 ,故可以选择比较小的管子 。 214 仿真结果
5 CD4046 锁相环的起动入锁
由于电路起动瞬间 , 电流反馈信号为零 ,VCO 始终在最低频率处振荡 ,这样就存在起动时不能自 动入锁问题 。一般采用它激到自激的转换电路来实 现起动问题 。
如图 5 所示 ,电路启动后 ,随着电容 Cs 的充电 , A 点电压由 VCC逐渐降低 ,VCO 输出频率从最大值 f max滑向最小值 f min 。只要负载的固有谐振频率在 f max至 f min之间 ,就会引起负载谐振 ,锁相环进入锁 定状态 ,顺利地启动逆变器 。此过程完成后 ,二极管 V 将转换电路与图 4 中的滤波电路隔离 ,锁相环正 常工作于无相差跟踪状态 。
+
f min
(2)
其中 10 kΩ ≤R1 ≤1 MΩ;
10 kΩ ≤R2 ≤1 MΩ;
图 3 逆变器主电路
如果忽略电路中的各种时延 ,VCO 的输出可近 似为 U0 的采样信号 ,i0 的采样通过 LEM 电流传感 器实现 ,然后经过零比较器变换成方波信号 i ,与 U0 同时送至 CD4046 锁相环 。只要负载固有谐振频率 的变化在锁相环的跟踪范围内 ,就可保证锁相环实 现自动跟踪 ,U0 和 i0 的相位差为零 ,使逆变器的功 率因数达到 1[3] 。根据以上分析 ,本文设计了如图 4 所示的频率跟踪电路 。
线性 VCO (4 脚) 产生 1 个输出信号 ,其频率与 VCO 输入的电压以及连接到引出端的电容 C 值及 R1 和 R2 的阻值有关 。并且输出频率范围 f min～ f max 满足以下公式[1 ] :
f min =
1 R2 ( C1 + 32pF)
(1)
f max =
1 R1 ( C1 + 32pF)
图 5 它激到自激的转换电路
6 相位补偿的实现
在实际电路中 ,电流采样 、锁相跟踪 、隔离驱动 和 MOSFET 的开关都需要时间 ,这将引起负载电压 U0 滞后 i01 个角度 ,使得逆变器实际工作在容性负 载状态 。它一方面使 MOSFET 在大电流处开通 ,另 一方面使电源的功率因数降低 ,影响功率输出 。基 于此原因 ,必须在实际电路中加入相位补偿环节 。
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图 4 频率跟踪电路
加 VCO 频率 ,以便使其上升沿进入适当的相位 , 于 是鉴相器 2 的输出置为高电平 ,导致环路滤波器给 VCO 输入端充电 (即 9 脚电位升高) ,增加 VCO 的频 率 。一旦检测到 3 脚信号的前沿 ,输出就变为高阻 态 ,保持 VCO 输入电压等于环路滤波器的电压 ,若 VCO 仍然滞后于 14 脚 ,则鉴相器就会在 2 个波形的 前边沿时间内继续给 VCO 输入端充电 ,直到 2 个波 形的上升沿一致 。
如果 3 脚超前 14 脚 ,则当 VCO 的前沿出现时 , 相位比较器 2 的输出就变为低电平 。这样环路滤波 器放电 ,直到检测到 14 脚的前沿为止 。此时环路滤 波器的输出又无效 ,从而降低了 VCO 频率 ,重新使 得两个波形的上升沿一致 。
当 4 脚信号 (VCO 输出信号) 与 14 脚信号 (相位 比较器 2 输入信号) 正边沿之间相差为 0°时 ,相位比 较器 2 迫使 PLL 锁定 。
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CD4046 锁相环在感应加热电源中的应用
熊腊森 ,全亚杰 (华中理工大学 ,湖北 武汉 430074)
摘要 :采用了 LEM 电流传感器 、电压比较器和 CD4046 锁相环对负载电流实现了频率跟踪 ,使逆变器工作在功率因
100 pF ≤C1 ≤0101μF。 相位脉冲输出端 (1 脚) ,用于表示锁定或 2 个 信号之间的相位差 。如果相位脉冲端输出高电平 , 表示处于锁定状态 。在信号输入端无信号输入时 , 压控振荡器被调整在最低频率上 。
4 锁相环频率跟踪电路
图 3 给出了对应的逆变器主电路[2] 。若将负载 电压 U0 和负载电流 I0 的信号采样后 ,送至 CD4046 的相位比较器 2 ,则可使 U0 和 I0 的相位差为零 ,即 逆变器工作在负载谐振状态 。
图 位比较器 1 是异或门 ,产生 1 个数字信号 (2 脚) ,并在“信号输入”与“相位比较器输入”信号之间 的中心频率处维持 90°相移 (要求输入信号占空比为 50 %) 。
相位比较器 2 由逻辑门控制的 4 个边沿触发器 和 3 态输出电路组成 ,产生数字误差信号 (13 脚) 和 相位脉冲输出 (1 脚) ,并在“信号输入”与“相位比较 器输入”信号之间保持严格同步 ,产生 0°相移 (与占 空比无关) 。故本文采用相位比较器 2 。
图 4 中 R3 、R4 和 C4 构成了低通滤波器 ,它是锁 相环正常工作中不可忽视的部分 ,其时间常数限制 了系统跟踪输入信号频率变化的速度 ,同时也限制 了捕捉范围 。另外 ,环路滤波器还能帮助防止噪声 电压干扰环路的正常工作 。这是由于存储在环路滤 波器上的电容能帮助很快重新捕获因噪声尖峰或其 它瞬态效应丢失的信号 。如果时间常数过长 ,会使 环路跟踪在较快变化的输入频率时引起过度的延 迟 ;而过小 ,使环路跟踪快速变化的输入信号会引起 压控振荡器输出频率的反常变化。一般取 R3 = 470Ω, R4 = 47 Ω , C4 = 011μF。最佳的工作状态是电阻 R4 的阻值为电阻 R3 的 10 %～30 %。
另外 ,为了防止逆变桥上下桥臂的直通短路 ,对 (下转第 19 页)
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
研究与设计 电焊机 ,2000 (6)
施加于相位比较器的有输入信号 Vi ( t) 和压控 振荡器的输出信号 Vo ( t ) 。相位比较器输出信号 Ve ( t) 正比于 Vi ( t) 和 Vo ( t) 的相位差 。Ve ( t) 经低 通滤波器滤去高频成分后得到一个平均电压Vd ( t) , 去控制压控振荡器的频率变化 ,使输入与输出信号 频率之差不断减少 ,直到这个差值为零时锁定 ,实现 频率跟踪 。
1 引言
应用于钎焊 、熔炼等热加工工艺的感应加热电 源在运行过程中 ,随着负载温度升高和炉料的熔化 , 负载等效参数会产生时变 ,从而引起负载固有谐振 频率的变化 。为了使逆变器始终工作在功率因数接 近或等于 1 的准谐振或谐振状态 ,控制电路必须能 够实现频率自动跟踪 。
本文 采 用 LEM 电 流 传 感 器 、电 压 比 较 器 和 CD4046 锁相环对负载电流进行频率跟踪 ,实现了功 率器件的零电流开关 ( ZCS) ,减小了开关损耗和电 磁干扰 ( EMI) 。由于在电路刚起动时 ,电流反馈信 号为零 , CD4046 不能入锁 。本文提出了一种利用 CD4046 自身特点实现的它激到自激的转换电路 ,很 好地解决了这一问题 。另外 ,加上相位补偿电路的 引入 ,最终实现了频率自动跟踪控制 。整个电路具 有跟踪速度快 、跟踪频率准确 、保护容易 、抗干扰能 力强等优点 。
低通滤波器的时间参数决定了跟随输入信号的 速度 ,同时也限制了 PLL 的捕捉范围 。
收稿日期 :2000 —04 —17 作者简介 :熊腊森 (1947 —) ,男 ,湖北人 ,副教授 ,1983 年～1984 年美国威斯康星大学机械工程系访问学者 ,从事焊接教学与科研 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
研究与设计 电焊机 ,2000 (6)
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3 CD4046 锁相环的逻辑结构
从图 2 中可以看出 ,CD4046 包含了 2 个相位比 较器 (鉴相器) 、1 个压控振荡器以及 2 个附加部分 , 即输入信号源极跟随器和稳压管 ,比较器有 2 个共 同输入信号端 (3 和 14 脚) “, 信号输入”既可以与大 信号直接匹配 ,又可以间接地通过串联电容接入小 信号 。自偏置电路可在放大器的线性区域调整小电 压信号 。
由于图 2 中使用的是相位比较器 2 ,具体的工 作原理如下 。
首先假设 14 脚信号超前 3 脚 ,也就是说必须增
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
数接近或等于 1 的准谐振状态 ,并分析了电路中的相位补偿和起动问题 。
关键词 :感应加热 ;频率跟踪 ;功率因数 ;相位补偿 ;锁相环 中图分类号 :TG454 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 2303 (2000) 06 - 0014 - 04
Application of CD4046 in induction heating power source XIONG La - sen ,QUAN Ya2jie
2 锁相环功能原理
锁相环简称为 PLL ,主要由 3 个基本单元构成 :
相位比较器 PD 、压控振荡器 VCO 和外接的 R、C 无 源低通滤波器 LPF。CD4046 包含前面 2 个单元 ,使 用时外接低通滤波器 ,从而形成完整的锁相环。 PLL 功能框图如图 1 所示 。
图 1 PLL 功能框图
( Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074 ,China)
Abstract : The frequency tracking of load current is implemented by the current transducer LEM、voltage comparator and CD4046 in this paper. The inverter operates at the quasi - resonant or resonant condition that the power factor is nearly of equal to unity. Moreoner ,this paper analyzes the phase compensation and question of starting. Key words : induction heating ;frequency tracking ;power factor ;phase compensation ;phase lock loop (PLL)
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会导致换流时间太长使占空比损失 。一般 , Cs 的值 应取 5 nF～30 nF 左右 。Cr 的值一般应该取得比 Cs 的值大 5～30 倍比较合适 , 以满足 V F 的零电压关 断 ,并且不使有效占空比变得太少 。L r 的值影响 V F 开通时和整流桥上桥臂两管关断时的电流上升率 , 应主要根据流过 V F 管的最大电流的值进行选取 , 一般选择 1～10 μH。由于 V7 、V8 只在极短的时间 内流过电流 ,故可以选择比较小的管子 。 214 仿真结果
5 CD4046 锁相环的起动入锁
由于电路起动瞬间 , 电流反馈信号为零 ,VCO 始终在最低频率处振荡 ,这样就存在起动时不能自 动入锁问题 。一般采用它激到自激的转换电路来实 现起动问题 。
如图 5 所示 ,电路启动后 ,随着电容 Cs 的充电 , A 点电压由 VCC逐渐降低 ,VCO 输出频率从最大值 f max滑向最小值 f min 。只要负载的固有谐振频率在 f max至 f min之间 ,就会引起负载谐振 ,锁相环进入锁 定状态 ,顺利地启动逆变器 。此过程完成后 ,二极管 V 将转换电路与图 4 中的滤波电路隔离 ,锁相环正 常工作于无相差跟踪状态 。
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f min
(2)
其中 10 kΩ ≤R1 ≤1 MΩ;
10 kΩ ≤R2 ≤1 MΩ;
图 3 逆变器主电路
如果忽略电路中的各种时延 ,VCO 的输出可近 似为 U0 的采样信号 ,i0 的采样通过 LEM 电流传感 器实现 ,然后经过零比较器变换成方波信号 i ,与 U0 同时送至 CD4046 锁相环 。只要负载固有谐振频率 的变化在锁相环的跟踪范围内 ,就可保证锁相环实 现自动跟踪 ,U0 和 i0 的相位差为零 ,使逆变器的功 率因数达到 1[3] 。根据以上分析 ,本文设计了如图 4 所示的频率跟踪电路 。
线性 VCO (4 脚) 产生 1 个输出信号 ,其频率与 VCO 输入的电压以及连接到引出端的电容 C 值及 R1 和 R2 的阻值有关 。并且输出频率范围 f min～ f max 满足以下公式[1 ] :
f min =
1 R2 ( C1 + 32pF)
(1)
f max =
1 R1 ( C1 + 32pF)