重做用SG3525的纯硬件SPWM驱动板 PCB

 

重做用SG3525的纯硬件SPWM驱动板

 

    自去年我做了一款用3525的纯硬件SPWM驱动后，关注的网友比较多，见：http://bbs.dianyuan.com/topic/538958（为了叙述方便，就称这贴子为“第一版”），老寿颇感欣慰，但毕竟是实验性的，存在的问题还不少，如:50HZ基波振荡器的失真和温漂问题，反馈稳压问题等等。就象一个学书法的人，练了一段时间书法，再回过头去看看原先写的字，才感觉到原先写的那些字实在不行，学电子也同样，现在我再回过头去看看自已原先设计的东西，才知道有很多方面的不成熟。当然，用单片机产生SPWM是很方便的，也是今后发展的趋向，但单片机不是人人都能驾驭的，象我这样的不懂单片机编程的人很多，就是能编程的，也不是人人都能写出好的SPWM程序来。当然，用单片机的SPWM具有性能稳定，一致性好等优点。所以，我觉得用单片机的SPWM比较适合做产品，如果要玩的话，可能还是纯硬件具有挑战性。就象现在的汽车有了自动档，但也有很多人还是喜欢开手动档，认为只有手动档才有驾驶的感觉云云。

    这几天做的这款用3525的硬件SPWM驱动器，有如下特色：

1.取消了双电源，用单电源12V供电，供电比较简单；

2.解决了文氏振荡器的温漂问题，现在我用1000W电吹风吹它，它的幅度变化在0.1Vpp左右，而第一版电路，在电吹风下要变化40%；

3.提高了正弦波的精度，用失真仪测第一版的正弦波，失真在2.5%以上，难怪看上去波头都有点歪，现在的正弦波精度提高到0.4%，经还原后的失真度在0.7%左右，波形很漂亮了。

4.改进了稳压电路，第一版采用的是用误差放大器稳压，主要是一个相位差的问题难解决，稳压精度很低。现在，我用了直流反馈的方式，用电压控制的放大器来闭环稳压，精度大大提高，如果其它元件选取合理，输出电压可以稳定在正负2V之内。还有一个好处，因为用了直流反馈稳压，所以反馈电路的干扰大大的减小了，调试也显得十分简单。

5.有商用价值，广州那边，已经有人用我的这个图纸把电路封装成厚膜电路，用在商用逆变器上。

 

重做3525SPWM驱动原理图 

 

 

 

 

原来纯硬件的PCB也可以做得这么小

 

 

 

 

一、用虚拟双电源电路

    第一版中的电源，采用的是+-12V双电源供电，其优点是：可以输出幅度比较大的正弦波，但这个幅度实在是有点浪费，因为输入到3525的馒头波幅度只要2.3VPP就够了。双电源的缺点是，供电电路比较麻烦，我在500W纯硬件逆变器中，是在前级的主变压器上加了二个绕组再整流滤波获得，当然，也可以用34063二个，来获得双电源。我研究了钟工的早几年的几个贴子，发现他在纯硬件电路中，很多采用了虚拟双电源的技术，为此，我就拿来用了，确实比较方便，电路图如下：

 

图中用了一个单元的运放，可以用动态比较大一点的运放：如5532，082，084等，正向输入端用二个电阻分压，获得6V的电压，因为反向输入端和输出端相联，接成跟随模式，所以输出端也为6V，这个6V端就是一个虚拟的“地”，而真正的地线此时变成了-6V，+12V端变成了+6V。这个驱动电路中的“文氏振荡器”、“精密整流”、“直流压控放大器”、“50HZ同步方波”这四部分，是工作在“虚地”即虚拟双电源方式下，而“3525”、“时序”、“死区”几块电路是工作在真地模式下的。

二、改进文氏电桥振荡电路

    文氏电桥振荡器，因为其电路简单，波形比较好，起振容易，所以有广泛的应用，但它的幅度稳定性很不好，下面是典型的电原理图：

 

    我在网上找来找去，一般都是用EFT场效应管做成压控电阻来控制振荡器的增益，达到稳幅的目的。但电路复杂，在用电吹风吹时候，因为场效应管的热稳定性问题，输出幅度会大幅度上升。下图为我的第一版的用的电路：

 

我把它的输出调到4VPP，但用1000W电吹风一吹，10几秒钟幅度就从4VPP降到2.6VPP左右，但频率没有变化，所以，这个电路要实用有一定困难。我分析了其中的原因，原来是二个稳幅二极管，在温度上升后，导通内阻发生变化，使电路增益下降，最终导致输出幅度变化。所以，要其输出幅度稳定，首先要使电路的增益稳定。

    如果，我们把上图中的R5,R4和二个二极管看成是一个电阻RL，那么，整个电路的增益就和RL和R3的比值有关，如果温度上升，RL就减小，电路增益就下跌，要使整个电路增益不变，就必须R3也同时减小。为此我用了下面的电路：

 

用R26.R28.R29来代替原来的R3，当温度变化时，热敏电阻R29的阻值同时变化，来达到稳定整个电路增益之目的。我用的R29是一种玻璃封装的热敏电阻，也是在淘宝上买的，型号不详，在25度时，阻值大约为100K左右，在70度时，阻值在26K左右，是属于负温度系数的产品。见下图：

 

R28是用来补偿热敏电阻的变化速率的，可以用电吹风试验，在温度上升时，如果电路输出还是下降，说明补偿不够，可以加大R28的值，如果输出变成上升了，说明补偿过度，可以减小R28的值。

经改进后的文氏电桥振荡器，输出幅度变得非常稳定，我曾把整个电路放进-5度的冰箱，再放进55度的烘箱，电路输出幅度变化都控制在0.2VPP之内，如果是一般的使用环境，可以控制在0.1VPP左右。

三、提高基准正弦波的精度：

第一版的正弦波，看上去波头总有点歪，我后来买了失真度仪，就用失真仪测了一下，真是大跌眼睛，发现失真度在2.7-3%左右。经检查，发现是从振荡电路出来的波形就有问题了。后来认真研究了文氏电桥振荡电路的工作原理，发现，输出越大，失真越厉害，输出再加大，就越接近方波了，我发现，只有当把输出控制在4VPP以下时，失真度最小，在0.4%左右，如果输出继续减小，失真度也没有减小了，而且输出太小，就有停振的可能了，所以，我认为，4VPP是一个比较好的输出值。

下图是第一版的波形，波头有点往左歪：

 

下图是现在新版电路的波形和失真度：

 

 

 

四、用直流反馈做AC稳压

    第一版电路中稳压方式用的是“误差放大器控制法”，这是一种比较“专业”的电路，要设计得好，象我这样的菜鸟有一定的困难，我总结了一下，有如下问题比较头痛：

1.反馈回来的必须也是馒头波，但在强电压输出条件下，干扰很难避免，一般只能在整流之前加强滤波，整流电路也很麻烦，如果要求高的话，也要用精密整流电路，我曾因“偷懒”用了4个4007进行整流，得到馒头波。

2.反馈回来的馒头波和原始馒头波之间有相位差，要进行补偿，这就不是一句话说得清楚的事了，太麻烦了。

3.误差放大器的增益很难控制，放大量小了，稳压效果不好，放大量大了，很容易自激。

    为此，我一直在想，能不能象单片机的SPWM驱动那样，也用直流反馈方式来进行稳压。这就必须要有一种电路，可以用直流控制增益。我在网上找过，有很多种专用的运放，可以用直流控制增益，但大多数是用于仪器仪表的，输出幅度很小，价格昂贵，肯定用不了。只有一个MC3340，价格在6元左右，我曾买来试装过，它可以用直流控制增益，电路如下：

 

    这块IC，原来估计是用于音响电路中的，控制电压在2.5-5V变化时，输出增益可以在0-90dB之间变化，见下图：

 

    经实际试用，发现有二个问题比较麻烦：

1.它的输出和控制电压之间，并不是成很好的线性关系。

2.它的反应速度很慢，也就是控制电压变化后，输出并不是马上跟着变化，而是有一个延时，用在稳压反馈电路中很不舒服。

3.附加失真太大，有0.8%-1%，也就是一个失真为0的信号进去，出来就有0.8-1%的失真了。

我曾经试装了二块用MC3340的的驱动板，感觉要用在逆变器电路中，还是不行，只得放弃了3340，决定另找途经。

    下图是我在网上找到的，用结型场管做压控电阻来调整增益的电路，类似电路还有很多。

 

经试装，它确实能用电压控制增益，反应也很快，但还有二个问题需要解决：

1.在输出信号幅度较小时，放大器非线性失真严重，输出正弦波很难看。‘

2.在温度变化时，因为结型场管的内阻变化，放大器输出幅度变化明显。

为此，我在运放的正反输入端各接了一个结型场管，用来抵消非线性失度和温漂，图如下：

 

经改进后的电压控制放大电路，性能很好：

1.有很大的动态范转，输出可以从0V起调，一直到10VPP（因为没有用轨至轨的运放）。

2.线性很好，

3.反应迅速，没有延时的感觉。

4.附加失真很小，只有0.2%左右，也就是一个失真为0的信号进去，出来也只有0.2%的失真度。

下图为我实验测得的数据，做成的图标。

 

有了这款放大电路，用来做正弦波的幅度调整，就游刃有余了，如果要做一台，可以从零伏起调的逆变器，从原理上来讲也是没有什么困难的。

五、同步方波电路

    在时序电路中做选通用的同步方波电路，如下图：

 

这个电路实际上是二个过零电压比较器，该电路也是工作在“虚地”状态，从1P和7P出来的是正负6VPP的方波，而后面的时序电路却是工作在“真地”状态，所以，这个正负6VPP的方波信号，对“真地”来讲，就是一个0-12V之间变化的方波，因为这个巧妙的设计，所以，取消了原先第一版电路中后面的二极管直流箝位电路，比第一版要省掉6个元件。

六、减法电路：

    在第一版电路中，因为所有模拟电路都是用双电源供电的，从精密整流电路出来的馒头波信号，是从0V起开始上升的，为了适应3525的输入要求（要求为0.9V起开始上升），所以要在3525的输入端之前，加一个加法电路，把馒头波往第一象限方向上移0.9V，所以，加法电路也称为移位电路。

    在这款电路中，因为精密整流电路是工作在“虚地”模式下，它输出的馒头波信号，对“真地”来讲，是从6V起开始上升，为了适应3525的输入要求，就必须把下面的6V直流电位减去5.1V，所以，这里就不能套用第一版的加法电路，而必须用一个减法电路才行。在第一版电路中，3525的误差放大器是放弃不用的，这次，我把3525的误差放大器利用了起来，接成一个减法电路，调整R16就可以调整下面直流电位的高低，可以让馒头波信号在第一象限任意移动。

其等效电路如下：

 

 

七、元器件选择及PCB布线要求：

  1.  图中所有的运放，建议采用NE5532\TL082\TL084等动态范围比较大的运放，我试过用358或324等运放，带来的问题是稳定要差很多，还有，通过压控放大器后，失真会变大。

  2.稳压电路压控放大器上用的二个场管，一定要用结型场效应管，不能用增强型的MOS管，早期的型号有3DJ6等，我用过东芝的2SK30A，效果比较好，贴片的可以用MMBFJ310或309，效果也很好。二个管子一定要用同一型号的，以保证特性的一致。

  3.热敏电阻的要求上面已经有说明，也可以用其它热敏系数的热敏电阻，只要调整一下R28就可以了。

  4.PCB布线有一定要求，因为整个电路既有模拟电路，又有数字电路，所以，供电要分开，图中+12是供给模拟电路的，VCC是供给数字电路的，模拟和数字的地线要分开走，在电解C25的负极汇总。

  5.如果输出部分不用250光藕，用IR2110之类的，则IC107要换成CD4081。

  6.精密整流电路中的R10、R11要用万用表测一下，尽可能配对，确保阻值相同，否则出来的馒头波有高低。

 

下图是为了测试纯硬件驱动板，专门做的H桥，上面有一个4路隔离电源。

这个隔离电源比较简单，性能能够满足一般的使用要求，在设计时得到正弦芯大师的指点，特此感谢！

TOP104工作时比较热，所以散热片要尽可能大一点。

电路：配套的H桥原理图