CN1794578A - 开关频率周期调制的三角波发生电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关频率周期调制的三角波发生电路，由调制波电路和三角波电路构成。调制波电路的输入为正弦半波电压，经过分压电路和跟随电路处理后加上直流偏置分量得到电压平移后的调制波电压。三角波电路输入该调制波电压，经过充放电电路和比较电路产生频率周期调制的三角波电压信号，经由电压跟随器输出。本发明根据三角波发生电路的压频转换原理，产生开关频率随着正弦半波周期变化的三角波信号作为载波信号，能够大大降低系统的电磁干扰强度，具有结构简单、附加成本低、实现容易、通用性强等优点，尤其适用于采用PWM控制技术的有源功率因数校正器、有源电力滤波器以及开关电源等电力电子变换器。

Description

开关频率周期调制的三角波发生电路

技术领域

本发明涉及一种开关频率周期调制的三角波发生电路，尤其涉及一种适用于有源功率因数校正(PFC)、有源电力滤波器(APF)以及开关电源(SMPS)等有源电力电子变换器的开关频率按正弦半波规律调制的三角波发生电路，具有非常广泛的应用场合。

背景技术

由于电力电子变换技术一般采用高频PWM(脉冲宽度调制)斩波技术，会产生高强度的电磁干扰(EMI)，而电力电子变换产品上市前必须要通过相关的EMI测试，如连续骚扰辐射、功率辐射等测试项目，EMI设计已经占产品初设计成本的一个重要组成部分，因此抑制EMI干扰源成为目前电力电子变换器设计的一个热点。传统PWM斩波技术采用固定开关频率调制方案，在其高频谐波分布规律中，开关频率的整倍数及其旁频的干扰水平相当高，其它区域干扰水平较低，属于窄带分布，使得在某些频谱区域很难通过准峰值EMI和平均值EMI标准限值。为此出现了一些新的开关频率调制技术，如开关频率随机调制、脉冲位置随机调制、开关频率抖动技术等，但是利用模拟器件实现上述技术非常困难，造价高，可靠性也不高，使得这些技术在电力电子变换器领域尚未得到推广应用，因此应该寻找简单易行和EMI抑制效果好的开关频率调制技术。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种开关频率周期调制的三角波发生电路，具有结构简单、成本低廉、通用性强、移植性强等优点。

为实现上述目的，本发明设计的开关频率周期调制的三角波发生电路由调制波电路和三角波电路构成，调制波电路输入正弦半波电压，经过分压电路和跟随电路处理后加上直流偏置分量得到电压平移后的调制波电压。三角波电路输入该调制波电压，经过它的充放电电路和比较电路产生频率随正弦半波电压波形变化的三角波电压信号，经由电压跟随器输出。

本发明中的调制波电路由一个电容、六个电阻、三个运算放大器构成，两个电阻串联后与电容并联，电容的一端接正弦半波电压，另一端与地相连。第一个运算放大器连接成电压跟随器，其同相输入端与两个串联电阻的公共端连接。第二个运算放大器连接成电压跟随器，其同相输入端经一个分压电阻连接+15V电源，同时经另一个分压电阻接地。两个运算放大器的输出端各自连接一个电阻后直接连接到第三个运算放大器的同相输入端，第三个运算放大器连接成电压跟随器，其输出端连接到三角波电路。

本发明中的三角波发生电路由一个电容、十个电阻、一个NPN三极管、三个运算放大器构成。其中，第四个运算放大器的反相输入端经一个电阻与调制波电路的输出相连，同时经另一个电阻连接NPN三极管的集电极，NPN三极管的发射极接地，第四个运算放大器的反相输入端与其输出端之间连接一个电容，其同相输入端经一个电阻与调制波电路的输出相连，同时经另一个电阻接地，其输出端与第五个运算放大器的反相输入端和第六个运算放大器的同相输入端相连。第六个运算放大器连接成电压跟随器。第五个运算放大器的同相输入端连接一个电阻，此电阻的另一端经一个分压电阻连接+15V电源，同时经另一个分压电阻接地。第五个运算放大器的同相输入端与输出端之间连接一个电阻，输出端经一个电阻与NPN三极管的基极相连，NPN三极管的基极与发射极之间连接一个电阻。

本发明整个电路中的六个运算放大器采用单电源+15V供电。

本发明根据三角波发生电路的压频转换原理，产生开关频率随着调制波波形周期变化的三角波，作为电力电子变换器的载波信号能够大大降低系统的电磁干扰强度，具有校正效果良好、通用性强等特征，同时具有结构简单、附加成本低、实现容易等优点，还可以避开利用微控制器(MCU)或数字信号处理器(DSP)的实现随机开关频率的繁重任务，尤其适用于采用PWM(脉冲宽度调制)控制技术的有源功率因数校正器(PFC)、有源电力滤波器(APF)以及开关电源(SMPS)等电力电子变换器中。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为本发明应用于单相有源功率因数校正器(PFC)中的实施例电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例是对本发明的进一步说明，而不构成对本发明的限定。

本发明设计的开关频率周期调制的三角波发生电路如图1所示，由调制波电路1和三角波电路2构成。调制波电路1由三个运算放大器U1、U2和U3，一个电容C1、六个电阻R1～R6组成，电容和电阻分别与运算放大器的各个引脚相连。三角波电路2由三个运算放大器U4、U5和U6、一个电容C2、一个NPN三极管T1、十个电阻R7～R16组成，电容和电阻分别与运算放大器的各个引脚相连。

调制波电路1中，电阻R1和电阻R2串联后与电容C1并联，电容C1的一端接正弦半波电压，另一端与地相连。运算放大器U1连接成电压跟随器，其反相输入端与输出端直接相连，其同相输入端与两个串联电阻R1、R2的公共端连接。运算放大器U2也连接成电压跟随器，其反相输入端与输出端直接相连，其同相输入端经分压电阻R3连接+15V电源，同时经另一个分压电阻R4接地。

U1与U2的输出端1和7分别与电阻R5和R6的一端相连后与运算放大器U3的反相输入端2相连，U3的反相输入端2和输出端1直接相连后接后级三角波发生电路的输入。该电路中，U1、U2与U3的引脚8均与+15V电源相连，引脚4均接地。

运算放大器U1的输出端连接一个电阻R5后直接连接到运算放大器U3的同相输入端，运算放大器U2的输出端连接一个电阻R6后也直接连接到运算放大器U3的同相输入端，运算放大器U3连接成电压跟随器，其输出端连接到三角波电路。

三角波电路2中，运算放大器U4的反相输入端经电阻R7与调制波电路的输出相连，同时经另一个电阻R9连接NPN三极管T1的集电极，NPN三极管T1的发射极接地。运算放大器U4的反相输入端与其输出端之间连接一个电容C2，其同相输入端经电阻R8与调制波电路的输出相连，同时经电阻R10接地。运算放大器U4的输出端与运算放大器U5的反相输入端和运算放大器U6的同相输入端相连。运算放大器U6连接成电压跟随器。运算放大器U5的同相输入端连接一个电阻R13，电阻R13的另一端经分压电阻R16连接+15V电源，同时经分压电阻R15接地。运算放大器U5的同相输入端与输出端之间连接一个电阻R14，输出端经电阻R12与NPN三极管T1的基极相连，NPN三极管T1的基极与发射极之间连接一个电阻R11。

整个电路中的六个运算放大器U1～U6均采用单电源+15V供电。

本发明的工作原理为：

(1)调制波电路1中，电容C1起到高频滤波作用，电阻R1与R2构成分压电路，产生合适幅值的正弦半波信号。电阻R3与R4构成分压电路，产生合适幅值的直流电平信号。运算放大器U1和U2为电压跟随器，其与运算放大器U3、电阻R5和R6构成一个加法电路兼电压跟随电路，实现正弦半波信号与直流电平信号的叠加，产生最终调制波信号。

(2)三角波电路2中，运算放大器U4、电阻R7、R8与R10、电容C2构成充电电路，电阻R9与电阻R11～R16、NPN三极管T1、运算放大器U5构成放电电路，运算放大器U6连接成电压跟随器。正常条件下，运算放大器U4的同相与反相输入端的电压为占空比50％的方波电压，C2充电，充电时运算放大器U4输出电压线性上升，当上升到一定水平时，运算放大器U5的输出端输出高电平，使得NPN三极管T1导通，运算放大器U4的输出电压线性下降，C2放电，其下降速率与上升速率相当，当下降到一定水平时，运算放大器U5的输出端输出低电平，使得三极管T1截至，C2重新开始新的充电过程。这样通过U5提供T1的触发信号迫使C2周而复始地充电和放电便产生了三角波序列，并通过运算放大器U6的输出端输出。

本发明由于三角波发生电路为压频转换电路，在其输入直流电压上叠加有一个正弦半波信号，因而使得产生的三角波信号的频率随着正弦半波的变化而变化，在三角波信号的频谱分布中不会出现谐波水平过高的频域，而是频谱的充分展开。这样的三角波信号作为电力电子变换器的调制信号，会降低系统的EMI水平。而且由于正弦半波的幅值、直流电平、三角波幅值均为可调，使得三角波的基本频率、频率变化幅度、幅值均为可调，因而使得其使用的灵活性提高。

上述器件中电容C1～C2、电阻R1～R16均为5％以上精度，运算放大器U1～U6为LM324，其中U1和U2、U3和U4、U5和U6各采用一个双运算放大器芯片，NPN双极三极管为Q2SD966或与之功能相近的三极管。电阻R3与R4分压提供一个基准直流电压，则电阻R1与R2的分压要求根据希望得到的正弦半波电压的幅值占基准直流电压的百分比大小来定。电阻R5与R6的阻值选择相同，电阻R8的阻值选择根据放大倍数有关。电阻R7、R9与电容C2的选择根据充电速率的要求大小，电阻R11～R16的选择则根据三角波的上下幅值来定。一组合适的参数为：C1取0.1nF～4.7μF，C2取1.0nF，R1取308.5kΩ，R2取2.5kΩ，R3取5kΩ，R4取10kΩ，R5取1kΩ，R6取1kΩ，R7取10kΩ，R8取10kΩ，R9取5kΩ，R10取10kΩ，R11取51kΩ，R12取10kΩ，R13取51kΩ，R14取100kΩ，R15取2.5kΩ，R16取12.5kΩ。

图2为本发明开关频率周期调制的三角波发生电路在单相有源功率因数校正器(PFC)中的实施例。

按图2所示，单相有源功率因数校正器的输入单相交流电压源，额定电压有效值为220V，由功率电路和控制电路构成。其功率电路为由二极管D1～D4构成的整流器、电感L1、功率开关S1、检流电阻R_s、续流二极管FRD1、电容C1、电解电容E1和负载R_L组成。其控制电路由PFC双闭环控制部分、PWM信号比较器、PWM驱动器以及本发明开关频率周期调制的三角波发生电路组成。本发明在单相有源功率因数校正器的应用目的就是提供一个开关频率按照整流器输出的交流半波电压波形规律变化的三角波发生电路，作为载波信号同PFC双闭环控制部分产生的最终控制信号进行比较，产生最终的PWM信号，并通过驱动器后作用于功率开关S1，通过S1的开关动作，使得交流电压源的电流与电压完全同步和正弦波形，同时使得负载端获得高精度的直流电压。

显然，本发明开关频率周期调制的三角波发生电路可以应用在有源功率因数校正器(PFC)、单相有源电力滤波器(APF)和开关电源(SMPS)等应用方面，提供载波信号，起到降低电力电子变换器系统EMI强度的作用。

Claims (2)

1、一种开关频率周期调制的三角波发生电路，其特征在于包括调制波电路和三角波电路，所述调制波电路由一个电容(C1)、六个电阻(R1～R6)、三个运算放大器(U1～U3)构成，两个电阻(R1、R2)串联后与电容(C1)并联，电容(C1)的一端接正弦半波电压，另一端与地相连；第一个运算放大器(U1)连接成电压跟随器，其同相输入端与两个串联电阻(R1、R2)的公共端连接；第二个运算放大器(U2)连接成电压跟随器，其同相输入端经一个分压电阻(R3)连接+15V电源，同时经另一个分压电阻(R4)接地；两个运算放大器(U1、U2)的输出端各自连接一个电阻(R5、R6)后直接连接到第三个运算放大器(U3)的同相输入端；第三个运算放大器(U3)连接成电压跟随器，其输出端连接到三角波电路；所述三角波电路由一个电容(C2)、十个电阻(R7～R16)、一个NPN三极管(T1)、三个运算放大器(U4～U6)构成；其中，第四个运算放大器(U4)的反相输入端经一个电阻(R7)与调制波电路的输出相连，同时经另一个电阻(R9)连接NPN三极管(T1)的集电极，NPN三极管(T1)的发射极接地，第四个运算放大器(U4)的反相输入端与其输出端之间连接一个电容(C2)，其同相输入端经一个电阻(R8)与调制波电路的输出相连，同时经另一个电阻(R10)接地，其输出端与第五个运算放大器(U5)的反相输入端和第六个运算放大器(U6)的同相输入端相连；第六个运算放大器(U6)连接成电压跟随器；第五个运算放大器(U5)的同相输入端连接一个电阻(R13)，此电阻(R13)的另一端经一个分压电阻(R16)连接+15V电源，同时经另一个分压电阻(R15)接地，第五个运算放大器(U5)的同相输入端与输出端之间连接一个电阻(R14)，输出端经一个电阻(R12)与NPN三极管(T1)的基极相连，NPN三极管(T1)的基极与发射极之间连接一个电阻(R11)；整个电路中的六个运算放大器(U1～U6)采用单电源+15V供电。

2、一种权利要求1的开关频率周期调制的三角波发生电路的应用，其特征在于用在功率因数校正器、单相有源电力滤波器或开关电源的控制电路中，作为控制电路中的载波信号源，起到降低电磁干扰强度的作用。