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半导体变温式PCR仪中大功率热电模块的PWM功率驱动,钱俊,万遂人,针对半导体变温式PCR仪温控系统中的大功率TEC 模块的驱动特性,设计了MSP430单片机控制的PWM功率驱动装置。以SG3525为核心设计了PWM信号��
山国科技记文在线 十 其占空比为 () 根据开关控制规律的不同,桥式电路的输出可分为双极忙与单极性 本 系统采用双极性双极性开关控制规律为:当为高电平时,场效应管、 导通, 截止,为低电平时, 截止, 导通,因而的表达式为 () 式中,为电源母线电压,为负载电阻,为场效应管导通电阻,为整数。将式 用傅立叶纵数展廾得 其中,直流分量、交流分量分别为 () 采用单级低通滤波器衰减交流分量,如图,负载为纯电阻负载,频率响应特性为 00 d0 0+ 式中,滤波器的谐振角频率、阻尼系数分别为 滤波器的幅度衰减系薮为 相移角为 山国科技记又在线 O 图纯电阻负载单级低通滤波器 载波频率ωπ,可有效衰减交沇分量。为保证热电模块能够具有合理的建立时间, 式所确定的滤波电路中电感和电容回路的阻尼系数须大于 单片机控制的 功率驱动装置的设计 木系统功率驱动装置原理框图如图所示。 单片机通过基于模糊自适应 控制的温度算法(算法另文介绍)计算出的控制量经转换后输入到 调制芯片内 生成的载波信号生成脉冲信号,经处理后,输入到 由 放大后,再 经低通滤波器滤除谐波分量,即实现了模块的功率驱动。 单片机对系统进 行监控与保护 NSP43单片 控制信号 机控制糸统 输出信号 供信号 护,保 模糊自适应PI 电路 输出滤 温度控制算法 控制信号 波电路 AD传换L调制电压信号 专用脉宽调 隔 功奉放人 尽片SG3525 块MSK426 图4MsP430控制的P硎M功率驱动装置原理框图 信号产生电路 信号产生电路以脉宽啁制专用芯片 为主。 内部包含基准电压源 振荡器、误差放人器 比较器、锁存器、分相器、欠压锁定输出级、软启动及关断电 路等。具体应用电路如图所示。 将 的误差放放大器接成电压跟随器形式,调制电压信号由 的转换 给出,由同相端输入,经误差放大器后,与 内部振荡器产生的锯齿波分别输入到内 部比较器反相端和同相粱。比较器的输岀经过分相器分成两路占空比相同、相位差为 的、两相,頻率均为锯齿波频率一半,由具有图腾柱结构的输岀端和脚输岀 内部振荡器产生的锯齿波频率按下式计算 山国利技记文在线 式中、为锯齿波的上升时间和下降时间,为死区电阻。调节死区电阻可以改变、 两相之间的死区时间,由于后级 模块可自动产生死区时间,此处不做考虑,死区 电阻取欧姆。本系统 Q ,约为 。锯齿波的高低电位分 别为和。调制电压在之间变化时,输出两相的占空比在%-%之间 变化。将两相输出经或门和或非门后,得到频率等于锯齿波频率,占空比%-%的两路 信号,作为下级 H桥驱动电路的输入。比较器输入端设有软启动及闭锁 功能。在引脚与地之间接电容实现软启动, 给出的闭锁信号经阻容网络加至 闭锁信号输入端脚 1 pouL VCC Output B LI OR PWMI SG3525 NOR PWT2 RT12 Shutdown 10 slnutcLowlL Sigmal ⊥Ls 1uF 图基于 的信号产生电路 信号功率放大电路 智能功率模块 NC( V1 V2 15v 18)OUTPUT A CC 7)OUTPUT A BHICs s B DISCA v4(rD -13OUIPUI B BLI 20RSENSE A ALICe (9RSENSE A ALI(/ SNSE B GND(B -RSENSE B 图 内部结构原理图 信号的功率放大主要通过智能功率模块 实现 内部集成了功 率场效应管桥,桥自举驱动与控制电路。桥场效应管具有低的导通电阻(典型值 Ω),最大的电源母线电压,A连续电流,可满足系统功率要求。H桥自礻驱动与 控制电路包括玨桥高低端场效应管驱动、死区时间产生、直通保护及H桥关断等电峪。其内 部结构原理图如图所示。具体电路设计如图所示 在本系统的双极性模式下, 开关控制端与并联, 开关 山国科技记文在线 控制端并联 信号产生电路的 信号通过数字隔离器 控制这两个并联端。米自 的关断信号小通过数字隔离器接到关断信号 输入端。功率肖特基二极管 、分别反向并接在 当负载向电源反馈能量时起保护功率管的作用,其反向耐压大于电源电压,反向恢复时间 左右。电阳、电容构成缓冲网络,用于抑制尖峰电压。对于某些感性负载,可 能导致 近似数安培的直通现象。反向并接 与地之间, 与地之间的功率肖特基二极管用于抑制这种现象 A: L MSK4225 R2II]DCT IJUH 5 图 功率放大电路及系统保护电路原理图 输出滤波器 为了从桥式电路的输出中恢复功率得到放大的调制信号及减小对外部的干扰, 要采用元件对输出进行滤波。 构成了双极型的平衡低通滤波器。 采用双极型的平衡滤波器,使得输岀平衡对称,对两极的开关信号和信号都能消除, 其效果比单极滤波器好。、参数要根据负载阻抗 频率、调制信号带宽、高频噪 声等参数进行设计。本系统取 ,截止频率为 。为了获 得更小的输出纹波及噪声,也可以降低滤波器的截止频率。 故障保护电路 设置过电压、欠电压、过电流和过热保护。如图所示,通过欧姆无感电阻对 和 引脚电流取样,取样电压经过运放构成的运算电路后, 与一基准值共冋输入到电压比较器,比较器输岀是过流信号:功率转换电路直流母线电压、 控制电路电源电压经过分压后,与稳压管产生的 稳压值经比较器后,输出是否欠电压、 过电压的信号。为了减小干扰,所有上述比较器的输出均通过四通道数字隔离器 耦合到 控制单元;对于过热保护,除加强散热措施和降额使用外,取正温度系数 电阻,将其上压降与代表过热的电压比较,由比较器输出是否过热信号。当上述任一输出有 效时, 控制单元动作,功率级截止,电源切断。 国科技论又在线 控制单元 控制单元控制输出功率以及对系统进行实时的监控与保护 采用冯诺 依曼通用存储器地址总线与数据总线,为位 ,集成了各种智能外设,超 低功耗和低电压供电以及灵活的时钟系统,具有方使高效的廾发方式,并能适应工业级运行 环境。 在木系统中,运行」 中的模糊自适应控制算法计算出数字控制量。 内部集成的位电压输出将这个数字量转换为 调制电压。此调制电压决定 产生的波信号占空比。位的可以保证较高的分辨率与精度。 有个位并行端口。其中 具有中断功能。将口作为工作状态的输入口,实时 输入故障保护电路的状态信息,一旦发生过电流、欠电压、过电压、过热的故障时,控制单 元能及时作出反应;口作为控制信号输出端,与 和 相应的控制信号输 入端相连,发生故瘴时闭锁芯片输岀,实现故障保护;口作为工作状态输岀,输出实时 运行信息,指示系统的工作情况。 结论 本文所介绍的 单片机控制的功率驱动装置,采用了集成化的芯片设计, 因而整个系统的可靠性集成度得到很大提高。功率驱动裝置的输出满足了模块的 电气特性要求。另外,系统由 单片机控制,程控性好,易于操作,分辨率和精度提 高,系统实时运行的信息可反馈到 控制系统,以对系统进行监护以及处理故璋。 在实际的应用中,结合温度控制的模糊自适应算法完成反应的温度控制,取得了 较好的温度控制效果,评价温度控制效果旳各顶指标:升、降温速洷、稳态精度、超调量 调节时间等满足了反应的要求。 参考文献 王宇松,佟慧艳影响仪温度控制精度的因素分析生命科学仪器 徐得胜半导体致冷与应用技术上海上沟交通大学出版社 秦继荣,沈实俊现代直流伺服控制技术及其系统设计北京机械工业出版社 高加林,郭微波一种高效率温度控制器的设讣集成电路通讯

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