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：![](/js/uploader/image/pdf.gif"){kind=small}
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！
