专利名称：开关频率周期调制的锯齿波发生电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关频率周期调制的锯齿波发生电路，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锯齿波发生电路，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锯齿波发生电路，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，本发明由调制波电路和锯齿波电路构成。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平提升后的调制波电压。锯齿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锯齿波电压信号，经由电压比较器输出。
本发明所述的调制波电路由一只电容、八个电阻、三只运算放大器构成，两只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；第一只运算放大器连接成电压跟随器，其同相输入端与两只串联电阻的公共端连接；第二只运算放大器也连接成电压跟随器，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；两只运算放大器的输出端各自连接一个电阻后，再经一个电阻连接到第三只运算放大器的反相输入端，第三只运算放大器的同相输入端接地，其反相输入端和输出端之间连接一个反馈电阻，其输出端连接到锯齿波发生电路。
本发明所述的锯齿波电路由两只电容、五个电阻、一只结型场效应管、两只运算放大器及一只电压比较器构成，其中，第五只运算放大器的同相输入端接地，反相输入端经一个电阻与调制波电路的输出相连，反相输入端与输出端之间同时并接一只电容及一只结型场效应管，第五只运算放大器的输出端连接第四只运算放大器的同相输入端，同时经一个电阻连接电压比较器的同相输入端，第四只运算放大器连接成电压跟随器；电压比较器的反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，电压比较器的输出端与结型场效应管的门极相连，并经一只电阻接地，电压比较器的同相输入端与输出端之间连接一个电容。
整个电路中的四只运算放大器采用单电源+15V供电，第五只运算放大器及电压比较器采用双电源±15V供电本发明根据锯齿波发生电路的压频转换原理，产生开关频率随着调制波电压周期变化的锯齿波，作为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调制的繁重任务，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。
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。
具体实施例方式
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锯齿波发生电路如图1所示，由调制波电路1和锯齿波电路2构成。调制波电路1由三只运算放大器U1、U2和U3、一只电容C1、八个电阻R1～R8组成，电容和电阻分别连接在运算放大器的各个引脚上。锯齿波电路2由两只运算放大器U4和U5、一只电压比较器U6、两只电容C2和C3、一只结型场效应管T1、五个电阻R9～R13组成，电容和电阻分别连接在运算放大器和电压比较器的各个引脚上。
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，其同相输入端与两只串联电阻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。运算放大器U1的输出端连接电阻R5，运算放大器U2的输出端连接电阻R6，R5的另一端与R6的另一端连接后，再经一个电阻R7连接到运算放大器U3的反相输入端，U3的反相输入端和输出端之间连接一个反馈电阻R8，U3的同相输入端接地，U3的输出端与锯齿波电路中电阻R9的一端相连。调制波电路中的三个运算放大器采用单电源+15V供电，U1、U2与U3的引脚8均与+15V电源相连，引脚4均接地。
锯齿波电路2中，运算放大器U5的同相输入端接地，反相输入端经电阻R9与调制波电路的输出相连，反相输入端与输出端之间同时并接一只电容C2及一只结型场效应管T1，运算放大器U5的输出端连接运算放大器U4的同相输入端，同时经一个电阻R10连接电压比较器U6的同相输入端，运算放大器U4连接成电压跟随器；电压比较器U6的反相输入端经一个分压电阻R11连接+15V电源，同时经另一个分压电阻R12接地，电压比较器U6的输出端与结型场效应管T1的门极相连，并经一只电阻R13接地，电压比较器U6的同相输入端与输出端之间连接一个电容C3。锯齿波电路中，运算放大器U4采用单电源+15V供电，运算放大器U5及电压比较器U6采用双电源±15V供电。U4与U6的引脚8、U5的引脚4与电源+15V相连，U4与U6的引脚4接地，U5的引脚7与电源-15V相连。
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与U2为电压跟随器，其与运算放大器U3、电阻R5、R6、R7和R8构成一个加法电路兼放大电路，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)锯齿波电路2中，运算放大器U5、电阻R9、电容C2和结型场效应管T1构成充电和快速放电电路，充电路径为R9和C2，放电支路由T1构成，充电时C2靠近U5输出端的一端产生为高压端，另一端为低压端，充电为线性充电，当C2电压充到一定的数值时电压比较器U6翻转，产生高电平迫使T1导通，将C2的电荷迅速释放掉，迫使C2的两端电压接近0V，形成一个锯齿波。当C2的两端电压为0V时，U6再次翻转，T1截至，C2重新开始充电过程。这样通过U6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锯齿波序列。电压比较器由C3、R10、R13组成，R11和R12构成分压支路，提供C2的翻转电平。U5的输出端输出最终的锯齿波电压信号，由运算放大器U4构成的电压跟随器输出，U4的引脚7为最终信号输出端。
本发明的锯齿波发生电路为压频转换电路，在其输入电压上叠加有一个正弦半波信号，因而使得产生的锯齿波信号的频率随着正弦半波电压的变化而变化，其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。这样的锯齿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。而且由于正弦半波电压的幅值、直流电平、锯齿波幅值均可调，使得锯齿波的基本频率、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～C3、电阻R1～R13均为5％以上精度，运算放大器U1、U2与U3为LM324，U5为LF356/LT，电压比较器U6为LM311，场效应管为2N4391或与之功能相近的场效应管，其中U1和U2、U3和U4各采用一个双运算放大器芯片。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、R6与R7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R9与电容C2的选择根据充电速率的要求，电阻R11与R12的选择则根据锯齿波的幅值来定。本发明一个实施例的参数为C1取0.1nF～4.7μF，C2取2.2nF，C3取22pF，R1取308.5kΩ，R1取2.5kΩ，R3取5kΩ，R4取10kΩ，R5取1kΩ，R6取1kΩ，R7取1kΩ，R8取1kΩ，R9取21kΩ，R10取10kΩ，R11取10kΩ，R12取5kΩ，R13取2kΩ。
图2为本发明开关频率周期调制的锯齿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Rs、续流二极管FRD1、电容C1、电解电容E1和负载RL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锯齿波发生电路组成。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正弦半波电压波形规律变化的锯齿波发生电路，作为载波信号同PFC双闭环控制部分产生的控制信号进行比较，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且为正弦波形，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锯齿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)等应用领域，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。
权利要求
1.一种开关频率周期调制的锯齿波发生电路，其特征在于包括调制波电路和锯齿波电路，所述调制波电路由一只电容(C1)、八个电阻(R1～R8)、三只运算放大器(U1～U3)构成，两只电阻(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；第一只运算放大器(U1)连接成电压跟随器，其同相输入端与两只串联电阻(R1、R2)的公共端连接；第二只运算放大器(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；两只运算放大器(U1、U2)的输出端各自连接一个电阻(R5、R6)后，再经一个电阻(R7)连接到第三只运算放大器(U3)的反相输入端，第三只运算放大器(U3)的同相输入端接地，其反相输入端和输出端之间连接一个反馈电阻(R8)，其输出端连接到锯齿波发生电路；所述锯齿波电路由两只电容(C2、C3)、五个电阻(R9～R13)、一只结型场效应管(T1)、两只运算放大器(U4、U5)、一只电压比较器(U6)构成，其中，第五只运算放大器(U5)的同相输入端接地，反相输入端经一个电阻(R9)与调制波电路的输出相连，反相输入端与输出端之间同时并接一只电容(C2)及一只结型场效应管(T1)，第五只运算放大器(U5)的输出端连接第四只运算放大器(U4)的同相输入端，同时经一个电阻(R10)连接电压比较器(U6)的同相输入端，第四只运算放大器(U4)连接成电压跟随器；电压比较器(U6)的反相输入端经一个分压电阻(R11)连接+15V电源，同时经另一个分压电阻(R12)接地，电压比较器(U6)的输出端与结型场效应管(T1)的门极相连，并经一只电阻(R13)接地，电压比较器(U6)的同相输入端与输出端之间连接一个电容(C3)；整个电路中的四只运算放大器(U1～U4)采用单电源+15V供电，第五只运算放大器(U5)及电压比较器(U6)采用双电源±15V供电。
2.一种权利要求1的开关频率周期调制的锯齿波发生电路的应用，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。
全文摘要
本发明涉及一种开关频率周期调制的锯齿波发生电路，由调制波电路和锯齿波电路构成。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平提升后的调制波电压。锯齿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锯齿波电压信号，经由电压比较器输出。本发明的电路根据压频转换原理，产生开关频率随着正弦半波电压周期变化的锯齿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。
文档编号H03K4/48GK1794579SQ200610023249
公开日2006年6月28日 申请日期2006年1月12日 优先权日2006年1月12日
发明者杨喜军 申请人:上海交通大学