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使用集成電路實現(xiàn)精度PWM輸出電壓電路的設計

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-06-26 08:00 ? 次閱讀

近年來,許多單片機生產廠家,如AtmelAnalog Divices、Intel、Philips、Dallas、Maxim等等,紛紛推出了新型的高速單片機。它們的指令執(zhí)行周期僅是原來的1/3~1/十幾,并在單片機中集成了EEPROM、WDT、A/D轉換器和D/A轉換器,大大地提高了單片機的性能,方便了用戶。然而,許多單片機中的D/A轉換器的輸出都采用了脈寬調制(PWM)的形式。PWM十分適用于開關電源可控硅等器件的控制,也可使用于LCD亮度控制、音頻輸出等不需要輸出精確電壓的場合。由于PWM沒有基準電壓,它的輸出脈沖的幅度不是很恒定,這就限制了PWM的使用范圍。在要求輸出精密控制電壓的場合,如精密可調電壓源、電機變頻器等等,就無法使用PWM。

然而,只需使用2片廉價的集成電路就可以把幅度不恒定的PWM輸出轉換成精密的PWM輸出電壓。

1 電路原理

使用三端精密基準電源模擬開關得到電壓精密的PWM脈沖的電路原理如圖1所示。D1為TL431三端基準電壓集成電路,U1采用單刀雙擲的模擬開關MAX4544;電阻R1、R2、R3根據(jù)具體的需要而定。當然,也可以采用其它型號的集成電路。

使用集成電路實現(xiàn)精度PWM輸出電壓電路的設計

當PWM脈沖為高電平(邏輯1)時,U1的COM端擲向常閉端(NC),TL431的調整腳與正電壓腳相連,輸出電壓值為2.5 V。當PWM脈沖為低電平(邏輯0)時,U1的COM端擲向常開端(NO),TL431的輸出電壓經過R2、R3 分壓后送到調整腳,此時輸出電壓值等于[(R2+R3)/R3]×2.5 V。本例中輸出電壓等于8 V。這樣,當U1的IN 腳輸入PWM信號時,電路相應地輸出高電平為8 V,低電平為 2.5 V的PWM脈沖,其振幅為 8 V - 2.5 V = 5.5 V 。如果需要輸出低電平為零的PWM信號,則再加上1個差分放大器就可解決。

在對于精密度的要求不是很高的場合,可以采用更簡單的方法。圖2為使用精密穩(wěn)壓二極管對PWM脈沖進行穩(wěn)壓限幅的電路圖。在圖2中,PWM信號經過高速運算放大器U1放大成為±12 V的輸出電壓,在經過R1的限流和D1的穩(wěn)壓后,得到 ±6.5 V 的PWM脈沖輸出。

使用集成電路實現(xiàn)精度PWM輸出電壓電路的設計

2 誤差分析

圖1中,只要基準電源選取恰當,基準電源本身的誤差完全可以忽略。除此之外,誤差的主要有以下幾個方面:

(1)模擬開關的導通電阻引起的誤差

模擬開關導通時有一定的導通電阻。TL431調整腳輸入電流通過模擬開關時就會形成電壓降,產生誤差。MAX4544的導通電阻為35 Ω,而TL431的調整腳輸入電流則在4 μA以下。由此而導致基準電壓的誤差小于140 μV,為2.5 V的 0.000 056,相當于二進制14位的精度。

(2)開關延遲時間引入的誤差

開關延遲時間將會引起脈沖占空比的變化,從而導致PWM輸出脈沖產生誤差。MAX4544的導通時間為30 ns,關斷時間為25 ns。計算可知,當PWM頻率為10 kHz時,由此產生的誤差最大為0.0003,相當于12位的精度。如果PWM的頻率選得較低,則開關延遲時間的影響相應減小。例如選取1 kHz時,引入誤差為0.000 03,相當于15位的精度。

上述兩項中真正影響輸出電源精度的是這些參數(shù)隨溫度和時間的漂移。由于這兩項參數(shù)本身的絕對值非常小,可以推知它們的漂移更小。

從以上的分析可知,由于附加電路引入的誤差完全能夠滿足PWM的精度需求。

圖2電路中,引起誤差的原因主要有3個方面:

(1)穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻引入的誤差

穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻比較大,一般在幾十Ω左右(工作電流5~10 mA時);而運算放大器的驅動能力比較小,只能使穩(wěn)壓二極管工作在較小的工作電流下。另外,穩(wěn)壓二極管小電流工作時的動態(tài)電阻更大,更容易引起電壓變化。

(2)穩(wěn)壓二極管溫度漂移引入的誤差

2DW7(2DW230~236)內部結構可以認為是2個穩(wěn)壓二極管對接串聯(lián)而成的。其中一個二極管的正向電壓降(具有負溫度系數(shù))對另一個穩(wěn)壓二極管的溫度漂移(具有正溫度系數(shù))進行補償,得到很低的溫度系數(shù)。然而,當2DW7反向應用時,其溫度漂移就不能得到恰當?shù)难a償,從而導致負脈沖部分的溫度系數(shù)較高。

(3)運算放大器引入的誤差

運算放大器的輸入失調電壓的漂移可直接導致脈沖振幅的誤差;而轉換速率(SR)過低,將導致脈沖方波波形的失真,繼而引起電壓的誤差。失調電壓溫度漂移低并且轉換速率高的運算放大器的價格將會很高。

但是,對于8~10位的PWM而言,該電路已經能夠滿足要求。對于要求更低的場合,可以用2個廉價的穩(wěn)壓二極管對接來代替2DW7。

3 應用實例

利用單片機的PWM輸出,在圖1的基礎上增加RC濾波電路和1級運算放大器,得到0~10 V直流輸出電壓,作為變頻器的控制信號,取得了良好的效果。圖 3 所示為使用PWM輸出控制變頻器的實例。

使用集成電路實現(xiàn)精度PWM輸出電壓電路的設計

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