采用UC3842来实现低频电磁驱动

2011-09-22 09:51:08来源: 互联网

这个是自己在学习过程中,边学边画的UC3842的SCH库元件,里面有两种封装,8脚和14脚,设计原理图时可以一目了然,避免错误。希望能给新入门的师弟师妹们一些帮助和启示。

对3842的理解和注意事项,自己标在了元件内,发现错误或有什么新的信息,可以随时在库元件中修改。

有些朋友可能说这样没有必要,我不这样想,这样做能让自己更深入地理解3842或其它新接触的芯片。

UC3842大家用了很多年了,有很多经验,我实际是刚刚接触,因工作需要做过几种电源,都属于自己用的,功率不大,如TOP2XX和MC34063。我不是做电源行业的,但我很喜欢这个论坛,也很喜欢大家技术讨论的氛围。电源技术方面我是小学生,还望大家多指教!我属于行外人,想法有时候可能和各位有所不同,如果我的异类想法能给大家带来一丝启示,我将很高兴。

现在正在做一个几百瓦的电磁机械的线圈驱动,其实就是一个电感,原理和开关电源很相近,也需要考虑CCM、BCM、DCM等工作模式,也是PWM驱动,负载电流也是三角波。

1、电感范围大致是10mH到100mH,要求驱动频率手动可变,目的是利用振动来减小静态摩擦,因为是机械装置,我准备把频率调整范围定在30~300Hz。

2、电流宽范围可调和显示,0~30A平均电流,属于恒流驱动吧。

3、现场有18VDC的电源,功率够。

准备用UC3842,我需要的东西它几乎都有,只是刚接触,需要更深入地理解和掌握才行。

经过一周的努力,感觉用3842没有问题,而且比原来预想的分立器件方案要简单,性能要好许多。只是在理解3842方面用的时间有点多。

最早想到用34063,因为它是自己比较熟悉的器件。同时考虑它有周期内检测峰值电流的功能,于是考虑是否可以用该芯片做波形产生器和控制器。

可以利用的资源:

1、电源电压范围;

2、输出驱动管1.5A;

3、周期内峰值电流检测 — 0.3V固定阈值到达后结束ton的控制方式;

4、电压检测闭锁PWM — 可以用做平均电流反馈控制。

但34063用在这个电路有以下问题:

1、对Ct的充放电是恒流源,电流分别约是31uA和190uA(不同厂家略有不同),阈值电压范围是0.75~1.25V=0.5V。厂家资料上图表中的最大电容是0.1uF,计算得出最大ton=1.6mS,toff=0.3mS,D=0.84,f=520Hz >>30Hz,不能满足最低频需求。

2、如果需要调整频率,从常规用法上看,这需要改变Ct,而根本就没有这么大的可变电容。

1、2问题的解决方案:考虑Ct内部是恒流源,可以直接将外部时基信号接到该管脚,低频率和频率可调整的问题都可以解决。

3、34063不能实现连续周期的工作。它时用一种时断时续的方式进行控制。

对34063的特点的体会:

1)占空比固定D=0.86,由单元件CT产生(因为充放电都用内部恒流源,所以没有RT)

2)电压反馈不是调整占空比,而是取样、放大、最后与阈值2.5V比较、闭锁PWM输出

3)峰值电流Ipk限制,逐周期监控,当输出管电流超过阈值电压0.3V时,提前关闭ton

虽然也改变占空比,但这只是保护输出管,并非是通过可变占空比进行控制

34063是否可以实现占空比调整控制?

占空比控制通过三角波和阈值电压比较实现,不论三角波是来自RC电压还是电感L的电流,通常三角波的斜率是确定的,其电压高低对应时间,阈值电压可以看作是三角波的限制,限制越强,三角波的峰值电压就越低,对应的导通时间就越短,占空比就越小。

34063的Ipk可以逐周期输入开关管电流的三角波,但与之比较的阈值电压0.3V外部无引脚,不能改变,也就无法简单地实现可变占空比控制了!

有一种方法可以实现可变占空比控制

增加误差放大器,增加电流取样比较器,类似3842一样,输出高于或低于Vcc-0.3V的开关信号给34063的P7脚Ipk,用于关断ton,实现占空比控制。

方案是可行的,不过回头想想,这是在做什么?造3842!有必要吗?没有

因此34063不能用在该设计中,但对其工作原理的分析和设计思想的学习,给自己带来启示,也因此迫使自己将注意力集中到了3842,并尽力深入去领悟。

3842中的误差放大器输出形式是否是OC形式,我刚接触也不敢肯定。一般的运放输出都有上拉和下拉两个输出管,而在这个放大器输出端连接了一个恒流源,如果输出有上拉管,那么恒流源就不能起到应有作用,如图2。

          

  另外在一份资料中看到这个图3,所以猜测它的输出是集电极开路(OC)形式。 

 

 

这里说的灌电流和拉电流,没有找到测试电路,因为这个放大器的输出节点位置在内部连接到放大器外部的电路,如恒流源、后级二极管等,那么datasheet中的这两个电流,是只有生产厂才能测量的独立放大器输出节点的电流,而不是3842的管脚P1-COM。

灌电流是从外部往放大器里流入的电流,这样理解对吧,这里的2~12mA是说放大器本身的能力,如果P1脚不外接任何电路,放大器没有条件实现这么大的电流,因为能提供这个方向电流的是1.0mA的电流源。但是如果P1管脚外接上拉电阻,那么这个电流值在设计时就要考虑了。

上面说的灌电流,不影响猜断输出是不是OC,关键是那个拉电流。

拉电流还应该理解为,从独立放大器输出节点向外流出的电流,这个电流可以流向后级电路,也可以通过管脚P1流出到芯片外部。如果这么理解是正确的话,当发达其输出电压Vo=5V时,它还有向外部流出的电流(显然1mA的量级不是漏电流),就应该判断在独立放大器内部输出节点与正电源之间是有电阻或输出驱动管的,那么就应该判断这个E.A输出不是OC。

我遍历一下手里的资料,没有找到明确说是OC的依据。但是,如果输出不是OC,那么输出节点上接的1.0mA恒流源又是做什么用的呢?

我很关注这个输出节点的芯片内部电路,是因为我要在外部搭建一个误差放大器E.A,要从这个节点接入,可能有些情况做电源设计也可能需要,希望大家理解,也希望各位帮我分析判断一下。如果有3842生产厂家的工程师在这里说一句话,就不用这样乱猜了。

我简单整理一下设计的要求:

  1、输入电源:18VDC
  2、感性负载:螺线管,电感变化范围10~100mH
  3、驱动电流:PWM形式,PI控制,平均直流0~30A连续可调
  4、电流换向:无要求,单向直流
  5、振动功能:即驱动电流的交流成分
         (1)、其峰峰值占最大电流10~100%连续可调
         (2)、振动频率10~200Hz连续可调
         (3)、振动电流波形要求三角或正弦波形
  6、保护检测:
        (1)、电感匝间短路,即短路报警
        (2)、电感对地短路,即漏电报警,阈值50mA
        (3)、驱动过程中电感量的检测和示值,精度不高,<15%即可
        (4)、功率开关管逐周期限制峰流Ipk
        (5)、功率开关管过热保护及报警
        (6)、感性负载误操作过流保护,要安全限流设定调节旋钮
  7、其它要求:想起来再说吧。

关于电流取样

要想实现输出电流0~30A连续可调,需要对电感负载的平均电流进行取样和处理,取样点不能在开关管下面,因为通常测量的Ipk不包括负载续流时段的电流。我在负载近端接入取样电阻,并且在靠近电源一侧,这样交流摆动电压就比较小,信号处理起来麻烦少。

取样后,将很小的电压进行放大,输出一个对地的电压,满量程30A对应5V,并在后级进行二阶滤波,这样所得到的代表负载平均电流的电压If,就相当于我们平时电压反馈控制的反馈电压Vf,那么后级的控制电路就和普通电源几乎是相同的了,如图4所示。

          

关于电压反馈及3842误差放大器的接线

因为要用到3842,就想多了解它。看了一些资料,认为这个放大器除了输出方式是OC(如果确认的话),和普通运算放大器一样,用法也一样。在芯片内电路中已经接了一部分“外围”电路,包括正端输入连接到内部的2.5V、输出端1.0mA恒流源以及后级电流检测比较器。

其中2.5V对于3842内电路来说,可以看作是虚拟地或称它为参考地,误差放大器以它为参考,输入等于2.5V,就相当于输入为“0V”,输出也为“0V”,但这个“0V”对整个电路的地来测量的话其实是2.5V。

这个放大器接成了反相放大器,负端输入P2-VFB与输出P1-COMP两个管脚,就象以2.5V为中间支点的跷跷板,输入高于2.5V,输出就低于2.5V;而输入低于2.5V,输出就高于2.5V。想像的跷跷板两端的臂长不相等,输出那一侧较长,当输入偏离2.5V一点点,输出可能就偏离很多,这就是放大的作用,两个臂长的比例就是放大倍数,在这个实际电路中放大倍数就是两个电阻的比例,一个是接于P1-P2两个管脚之间的反馈电阻,另一个是接于负端输入管脚P1到前及电压源的输入电阻。呵呵,用白话做了一下小结,以后自己再看到的时候一定感觉很有意思。

UC3842误差放大器E.A常用接线图

          

            

            

           

关于UC3842电压反馈取样和电流反馈取样

对于误差放大器来说,电压反馈和电流反馈也没有多大区别,电流取样处理以后也是电压信号,只是这个电压与目标参数的平均电流有着线性关系。

参照电压反馈的基本电路,将0~5V代表0~30A的电流反馈信号接入误差放大器,电路如图6。

 

 

该电路是固定输出模式,无法实现输出连续可调。

关于UC3842输出连续可调的反馈电路

如何用UC8342实现从0(V或A)开始的输出连续可调。

电压反馈和电流反馈是一样的道理。用大家熟悉的电压取样反馈说话,一般情况,输出电压Vout经过分压产生一个反馈电压Vf,分压系数是kvf,然后用Vf与一个基准参考电压进行比较和放大,产生误差信号电压,用它来修正和控制占空比。

没有光耦的电路,基准电压就是E.A正端输入的2.5V,放大器就是E.A;有光耦的电路,基准电压是光耦发光管下面的TL431的内参电压,担任放大器工作的是TL431。

分析以后知道,正常反馈控制的状态下,输出电压和基准参考电压呈线性关系,即Vout=Vf / kvf,如果改变基准参考电压,输出电压就会改变,如果基准电压可调整范围是从0开始,那么输出电压也将会从0开始可调整。(这里仅考虑控制电路部分)

回过头来看3842,没有光耦的电路,要实现输出连续可调,只要按图7电路,断掉误差放大器正端输入与内部2.5V之间的连线,在外部接一个电位器,参考电压就可以从0起调了。道理简单,我们却无法实现。

          

用改变基准参考电压的方式实现输出连续可调,这是一种方法,朋友们可能还有其它的方法,不妨说出来让大家学习一下。

UC3842片外误差放大器

3842的基准参考电压放到芯片里了,只有忍痛割爱,放弃这个片内E.A,再搭一个和这个相同的片外E.A,电路如图8所示。

          

运放后面加了一个三极管,造一个集电极开路,因为这个三极管相当于一个反相器,所以运放的正负输入端换了个位置。

基准参考电压来自3842的P8-Vref,经电位器调节改变,调节范围是0~2.5V,这样受控的输出电压或电流就可以连续调节了。图中的参数是我这个电路的,PWM选择2KHz,这里的C1R5时间参数是330Hz,不知道合适不?

基于电流斜坡法实时监测负载电感(方案征求意见)

在第14贴的设计要求6-(3)中,要在驱动电感负载的同时,实时测量和显示负载的电感值。这个要求不是用户提的,是自己“找事”,电感监测可以帮助操作者了解设备的运转状况以防患于未然。如果能做到,匝间短路报警及保护也就实现了。

突发其想,我把考虑的想法给大家说一说,能否实现,可能还要看试验,但如果从原理上都过不去,希望各位老师及时提醒,以便我及时收手,以免耽误时间。

           

我所想到的在线测量电感的原理是这样的:

电感的定义来自一种现象,当流过电感的电流发生变化时,电感的两端就出现电压,这个电压和电流的变化速率成正比,正比系数就被定义成了电感,如图中的公式。

在本电路中,开关管开通的时间里,电感两端电压是电源电压U,串联流经电感、开关管、电流检测电阻Rs的电流IR一直在上升,上升的快慢与电源电压U和电感L有关,图中上坡斜线的坡度k(斜率)是U和L的比值。从这个关系上看,电源电压越高,坡度越大;而电感越大,斜线的坡度就越小。换个角度看,电感L的数值为U/k,电感与坡度成反比,比例系数是电源电压,在一个具体电路中可以看成是常量。

关系有了,其实坡度的信息也已经有了。电流IR已经通过Rs及放大器处理得到了,就是给到3842芯片P3-Isen的信号,最大幅值是1.0V。那么下面的问题是,如何把混在取样电流信号里的坡度提取出来,如何换算成电感的数值。

另一个问题,这个坡度信息并非一直在电流IR(即Isen)中,只有在开关管打开的ton时段内才有效,就是说信息不连续。如果用单片机的话,可以先采样后用程序分析计算,可能比较简单,可自己不懂单片机,还想用最简单的硬件手段来实现。

想到以前做过的同步整流电路,这里可以借鉴。大致的想法是这样的:

1、将取样电压Isen滤波,尽量去除和压制尖峰和振铃;

2、同步信号Vsyn取自3842的P6-OUT管脚,对上升沿进行适当的延迟,使后面取样躲开开关管刚刚打开时的不稳定和杂散信号;

3、对Isen进行微分

4、用同步信号Vsyn控制模拟开关的通断,ton时开,toff时断。模拟开关前面的信号来自微分器的输出,后面加取样RC,时间参数设置成远低于开关频率fpwm;

5、对得到的斜度k的电压进行低通滤波和放大。

这样得到的是Isen在ton时段内的电流上升速率,电感和它成反比,如果用指针式电感表显示,就象指针表显示电阻一样,那么工作到此就结束了。

关键字:UC3842  低频  电磁  驱动

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0922/article_11837.html
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