隨“芯”所欲----TDS2285試用記
杭州 老壽
對于象我這樣不懂單片機(jī)編程的愛好者來說,要設(shè)計一個SPWM電路,首先肯定會想到用純硬件方案,我在去年就花了大約半年時間來研究純硬件SPWM的驅(qū)動電路,做出了很多版本的實驗板,但沒有一塊是令人滿意的。
總結(jié)一下整個過程,我覺得要做出一款性能指標(biāo)比較好的純硬件電路,有以下三難:
一是:設(shè)計一個性能穩(wěn)定,波形良好的基準(zhǔn)源有點難。一般常用的文氏電橋振蕩器,雖然電路簡單、起振容易,但有一個很頭痛的問題,就是輸出的幅度有溫漂,且波形的失真度也較高,一般在1.7-2.5%之間。我也試過用函數(shù)塊8038的振蕩器,8038雖然輸出比較穩(wěn)定,但要把它的失真度做小,外圍元器件也不算少了,更何況要幾十元一個的高昂價格;
二是:要設(shè)計一個速度快且線性很好的調(diào)制器也不容易,我曾試過用3525做調(diào)制器的,也試過用LM339做調(diào)制器,總覺得不是電路復(fù)雜就是指標(biāo)不高;
三是:設(shè)計一個大反饋穩(wěn)壓電路難。純硬件方案中,做穩(wěn)壓反饋,一般是用誤差放大器,如果放大器的增益過低,則穩(wěn)壓控制范圍就不夠大,穩(wěn)壓效果很差,如果放大器增益高了,又很容易自激;更有甚者,信號通過各級LC電路后,多多少少會有相移,所以在電路中還要做各種補(bǔ)償。
所以,要做出一款性能指標(biāo)都不錯的純硬件SPWM驅(qū)動,需要有很強(qiáng)的電路設(shè)計能力,很好的電路基礎(chǔ)知識,鐘工就有一款很不錯的純硬件驅(qū)動,http://bbs.dianyuan.com/topic/180615。而象我這樣的業(yè)余級別的“磚家”,要做好是有難度的。當(dāng)然,純硬件的方案如果做好了,其性能穩(wěn)定,反應(yīng)迅速,不會死機(jī),是單片機(jī)方案不能比的。
一、TDS2285簡介
也是一個很偶然的機(jī)會,在論壇上看到了張工的TDS2285芯片:http://bbs.dianyuan.com/topic/488422,并下載了規(guī)格書進(jìn)行研究。
該芯片的一個最大特點是外圍電路簡單,因為它是用程序來產(chǎn)生SPWM波的,所以就不需要“基準(zhǔn)源”,也不需要“調(diào)制電路”,對于反饋穩(wěn)壓,它是取輸出回路的直流信號(經(jīng)整流)進(jìn)行穩(wěn)壓的,所以穩(wěn)壓電路十分簡單了,也不用考慮相移補(bǔ)償?shù)?,所以電路大為簡化,元件的?shù)量大大減少,這對于象我這樣的“單片機(jī)盲”來講,拿來就可以使用。記得鐘工說過一句話:“單片機(jī)可以延續(xù)一個人的智慧”,確是這樣,一個小小的14腳的芯片,凝聚了當(dāng)初張工開發(fā)時的全部智慧,而這些智慧則可以會部體現(xiàn)在所有用2285的逆變器中。下圖就是TDS2285一種應(yīng)用方案:
以下是TDS2285的規(guī)格書:TDS2285N規(guī)格書
下面是各部分電路簡介:
這是電源電壓檢測電路,BT電壓(我的逆變器BT是12V)經(jīng)上面的100K電阻和下面的10K電阻分壓,輸入到芯片的13腳,在BT為12V時,正常工作范圍是9.5V~14.5V,也就是BT超出這個范圍,芯片就關(guān)斷SPWM輸出,并用長聲報警,LED做慢閃指示。
上面是自動穩(wěn)壓電路,這個穩(wěn)壓電路十分簡單有效,用二個200K的隔離電阻,直接接到AC輸出端,經(jīng)簡單的整流和濾波后輸入到芯片的10腳。沒有用取樣變壓器,既可以節(jié)省成本,又可以減小體積,實在巧妙。我沒有對它的穩(wěn)壓精度做過詳細(xì)的測試,但我的逆變器,當(dāng)BT為11V時,在800W負(fù)載時也可以輸出大于218V的電壓,空載時我調(diào)在228V~230V。
這是TDS2285的過載短路保護(hù)示意圖,正常工作模式下,11腳為高電平,當(dāng)過載電路或短路保護(hù)電路檢測到過載或短路時,輸出一個高電平,8050導(dǎo)通,11腳電平被拉低,芯片就會在0.6US內(nèi)關(guān)閉SPWM輸出。因為過載和短路共用一個IO口,所以,在設(shè)計逆變器時,其它過載和短路保護(hù)要全部用外圍電路來解決,這應(yīng)該是設(shè)計逆變器的難點所在。我這臺用2285的逆變器,這次沒有設(shè)計過載保護(hù)電路,只有短路保護(hù)功能。因為每個人對過載和短路現(xiàn)象的理解不同,可能設(shè)計出來的電路也會有很大的不同。下面是我對這二個電路功能的理解:
1.過載保護(hù):過載現(xiàn)象簡單地說,就是工作時負(fù)載大于逆變器的額定輸出功率,是一種超負(fù)荷運行狀態(tài),對設(shè)備來講是很危險的。一般我們都會設(shè)計成用電流互感器來檢測AC輸出端的電流大小,這個方法比較簡單,也很有效。例如:一臺1000W的逆變器,負(fù)載加到1050W了,雖然過載了,但還不很嚴(yán)重,這時就要用聲或光提示管理人員注意,如果負(fù)載不減輕,電路就要在延時一段時間后關(guān)閉機(jī)器(例如30秒后關(guān)斷SPWM)。如果加載到1300W,同樣除了有光或聲提示外,延時時間要短一些(如10秒后就關(guān)斷SPWM),也就是超負(fù)載越重,延時時間越短,這樣可以充分保證設(shè)備的安全性。以這個要求來設(shè)計外圍電路,估計電路也不會簡單到哪里去了。
2.短路保護(hù):一臺好的逆變器,做一個完美的短路是最重要的,論壇上有很多大師級的朋友,他們的逆變器都可以經(jīng)得起上百次的短路而不燒H橋,所以,短路保護(hù)電路都做為一個技術(shù)核心而被設(shè)計者保護(hù),輕易不肯放出來,也難怪,一般要試驗成功,都是要花很大代價的,一大堆一大堆地?zé)茏雍蟛拍艹烧6搪繁Wo(hù)電路的設(shè)計,關(guān)鍵是二點,第一是要讀取H橋的工作電流,一般取自H橋母線上的取樣電阻,以0.1R的電阻為例,一個1000W的逆變器,正常工作時應(yīng)該在3A以內(nèi),也就是滿載時取樣電阻上應(yīng)該有3V左右的電壓。第二是從檢測到短路后再到關(guān)斷SPWM之間的延時要合適,以現(xiàn)在的元器件,要做到快,是沒有問題的,但有個問題是:關(guān)得太快了,就無法啟動沖擊性負(fù)載了,一個1000W的小太陽燈管,從冷管啟動到完全點亮,要0.2-0.3秒;啟動一臺冰箱也要0.2秒左右。如果簡單以這個0.2或0.3秒來設(shè)計保護(hù)電路的延時時間,是肯定不行的,因為在高頻20K的情況下,0.2秒時間內(nèi),H橋已經(jīng)通過8000個大電流的脈沖了,管子早就燒得慘不忍睹了。唯一的辦法是在這0.2或0.3秒時間內(nèi)對H橋進(jìn)行抑流,讓它工作在一個安全的范圍內(nèi)。例如H橋用20A的管子,就讓它限流在10A左右(對于1000W的機(jī)器來講,10A就意味著它短時間輸出3000W以上的功率了,啟動沖擊性負(fù)載完全沒有問題),等0.2或0.3秒后,如果短路還沒有解除,電路輸出高平到TDS2285的11腳,關(guān)斷SPWM。
我有一個朋友,在生產(chǎn)出口數(shù)碼發(fā)電機(jī)的后級(實際上就是一個逆變器),用的就是這種保護(hù)方式,不過它是在程序中解決的,檢測到短路后,單片機(jī)大幅度地削減SPWM的寬度,讓H橋電流限止在一個安全的范圍內(nèi),如果0.2鐘短路還沒有消除,就關(guān)斷SPWM。它的外圍電路沒有時序和死區(qū)電路,全是在單片機(jī)中做好的,用的是一個32位單片機(jī),輸出4路直接到250光藕,工作很可靠。
上圖是2285的報警電路,配合5腳上的LED一同工作,當(dāng)BT出現(xiàn)過壓或欠壓時,蜂鳴器發(fā)出長聲,LED做長閃;當(dāng)11腳檢測到過載或短路時,蜂鳴器發(fā)出短聲,LED做短閃。
二、TDS2285的性能
限于技術(shù)和設(shè)備的原因,我無法對2285芯片做全面的技術(shù)測試,我只對它輸出的正弦波失真度情況進(jìn)行了測試,為了這項測試,我特意去買了一臺固緯的201G失真度儀,因為從市面上看,常見的失真儀中,只有這款可以測試到300V,一般都只能測到100V。
下面是不同性質(zhì)負(fù)載下的失真度指標(biāo):
上圖是在空載和加載到400W左右的失真度,只有0.7%,這實在是一個比較滿意的指標(biāo)了。
上圖是加載到800-1000W時的失真度情況,大約在0.90-0.95%之間。
上圖是帶一個感性負(fù)載(一臺600W的磨光機(jī))時的失真度,大約在0.8-0.9%左右。
上圖是帶一臺用17寸CRT顯示器的電腦時的失真度,應(yīng)該算是整流性負(fù)載,大約在1.14%左右。
三、幾點改進(jìn)建議
從我試用的情況來看,2285的性能還算是非常滿意的,它外圍電路簡單,SPWM精度很高,能讓使用者設(shè)計出指標(biāo)絕對OK的逆變器,在我裝的二臺機(jī)器中,沒有因為程序出錯而死機(jī)等現(xiàn)象發(fā)生過,性能很可靠。但我還想對張工提幾點改進(jìn)建議,因為我不懂單片機(jī),可能提出的建議不一定正確,請不要見笑:
1.芯片的第12腳是一個去關(guān)斷前級的IO口,一旦發(fā)生過載或短路,12腳就輸出一個高電平,去關(guān)斷前級的PWM(例如SG3525的第10腳),但我想,這個功能可以用外圍電路實現(xiàn),可以在保護(hù)電路輸出高電平時一同去關(guān)閉前級的PWM,這樣可以省下一個寶貴的IO口。
2.如果芯片IO口夠用的話,最好把“過載”和“短路”這二部分的輸入端分開,讓程序?qū)@二種情況進(jìn)行分開處理。例如:用一個帶內(nèi)部AD的IO口,讓它采集過載電路過來的電壓,因為負(fù)載越重,采集到的電壓越高,程序就可以在不同負(fù)載時做出不同的處理:
如:負(fù)載超10%,延時30秒關(guān)斷SPWM(延時期間先減小SPWM的寬度,并聲光報警,下同)
負(fù)載超20%,延時20秒關(guān)斷SPWM
負(fù)載超30%,延時10秒關(guān)斷SPWM
負(fù)載超50%,把控制權(quán)交給11腳,當(dāng)短路處理,即先限流,再關(guān)閉。
這樣做的好處是:過載保護(hù)部分的電路會大幅度簡化,調(diào)試也很簡單,只要調(diào)一個額定最大功率的基準(zhǔn)值就可以了。芯片11腳可以仍保留現(xiàn)在的功能。
3.如果用IO口多一點的芯片,可以多用幾個LED,分別來指示過載,短路,欠壓,過壓等等。
以上建議不一定正確,僅供張工參考,哈哈!