求一種基于IR2110的打印機高頻逆變器設(shè)計方案

開關(guān)電源等技術(shù)在 當今社會的電力電子應(yīng)用和多樣化的電源系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著高頻開關(guān) 電源 技術(shù)的進步，它不僅改善了傳統(tǒng)電路的外觀和結(jié)構(gòu)，而且大大增加了部分電源的回收 效率。節(jié)省材料，降低成本。逆變器技術(shù)研究對于工業(yè)技術(shù)的進步和人民生活條件的改善極為重要。

逆變器是電力電子技術(shù)發(fā)展中早期使用的一種 DC /AC （直流/交流）轉(zhuǎn)換裝置。逆變器是一種將直流電轉(zhuǎn)換為交流電同時還提供控制邏輯的裝置。 逆變器 通常用于家庭電器中。逆變器的外形和安裝方式順應(yīng)市場發(fā)展趨勢，正在向小型化、智能化、模塊化方向發(fā)展。

Ⅰ.系統(tǒng)設(shè)計方案

220V工頻電壓最初輸入到本文小型逆變系統(tǒng)的終端，然后由降壓變壓器輸出24V交流 電壓 。單相橋式整流電路、兩個穩(wěn)壓電路和其他幾個電路都有助于輸出 24V 交流電壓。經(jīng)過二極管濾波后提供兩路穩(wěn)定的直流電壓（15V和5V），為單片機和驅(qū)動芯片供電。同時， 將程序在線串行編程到單片機中后產(chǎn)生的PWM （脈寬調(diào)制）波促使兩個驅(qū)動芯片產(chǎn)生兩相四通道 PWM 波，產(chǎn)生互補的高通和低通信號。驅(qū)動適當?shù)腗OS（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的縮寫）管后，構(gòu)成電壓型全橋逆變電路。最后，負載檢測生成的互補矩形波；輸出電壓為220V、50Hz交流電壓，最大輸出電流為2.5A，最大輸出功率不小于100W。 整個逆變器流程如上所述完成，系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示圖表。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

二.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 驅(qū)動芯片IR2110

美國國際整流器公司生產(chǎn)IR2110驅(qū)動芯片（現(xiàn)已被英飛凌公司收購 ）。它具有光耦隔離和電磁隔離特性。它以其體積小、速度快而成為大多數(shù)中小型功率轉(zhuǎn)換裝置中的驅(qū)動裝置。

2.1.1 IR2110工作原理

驅(qū)動芯片 IR2110的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu) 由三個主要部分組成：電平轉(zhuǎn)換、邏輯輸入和輸出保護。IR2110驅(qū)動芯片的各種優(yōu)點 是系統(tǒng)電路構(gòu)建和設(shè)計元件可以避免許多問題的原因。例如，在高壓浮動自舉 電源 電路的設(shè)計中，一組電源有效地控制高低端口，將額外的驅(qū)動電源數(shù)量減少到最少。

圖2為IR2110驅(qū)動芯片的驅(qū)動半橋電路 ，這是對高端側(cè)懸架驅(qū)動電路自舉原理的簡單說明。C1和VD1分別是自舉電容和自舉二極管，C2是電源電壓Vcc的濾波電容，如圖所示。

首先，預(yù)計當S1關(guān)斷時，自舉電容C1能夠承受 VC1 Vcc的電壓。VM1導(dǎo)通，VM2截止，在HIN為高電平時，在S1的柵極和源極-發(fā)射極之間施加VC1電壓。然后自舉電容 C1 通過 Rg1、VM1、柵極和源極形成回路進行放電，使 VC1 等于電壓源并觸發(fā) S1 導(dǎo)通。另一方面，HIN 和 LIN 之間的信號被認為是互補輸入。當 LIN 為低電平時，VM3 被禁用，VM4 被啟用。此時電荷通過S2柵極中的Rg2和源極內(nèi)部的芯片快速釋放到地。電是一種能源。此時死區(qū)時間對其產(chǎn)生影響，導(dǎo)致S2在S1開啟之前關(guān)閉。

圖2 IR2110內(nèi)部工作原理圖

當HIN為低電平時，VM1關(guān)閉，VM2開啟。此時，S1柵極中的電荷將通過Rg1和VM2快速放電，導(dǎo)致S1關(guān)斷。經(jīng)過短暫的死區(qū)時間（td）后，LIN上升到高電平，導(dǎo)致S2導(dǎo)通，電源電壓 Vcc 通過S2和VD1對自舉電容C1充電，導(dǎo)致自舉功率快速增加電容器C1。重復(fù)這個循環(huán)。

2.1.2 IR2110逆變電路

圖 3 是IR2110逆變器的示意圖 。IR2110驅(qū)動芯片U3和U4就是其中的兩個。Q1、Q2、Q3、Q4使用四個MOS晶體管。PIC16F716 微控制器向驅(qū)動器的 輸出為 Ua、Ub、Va 和 Vb。一相PWM波的上下臂 為 Ua 和 Ub，Va 和 Vb 為另一相PWM波 的上下臂 ，如圖所示為兩相四路 PWM 波芯片引腳。驅(qū)動芯片的輸出由 PIC16F716 微控制器觸發(fā)。由于部分 PWM 波無法驅(qū)動大功率MOS管，因此二極管D9和D15（利用 肖特基 管的快恢復(fù)功能）必須依靠IR2110中的電容自舉功能來增加電容充電。對自舉電容C11、C12、C16、C17充電，以提高驅(qū)動MOS管的信號端電壓，使其具有升壓信號端輸出的功能，從而提高MOS管的信號端電壓Q1、Q2、Q3 和 Q4 可以使用PWM波不斷地打開和關(guān)閉 。進一步地，逆變電路中同相上下臂的驅(qū)動信號是互補的。

圖3 IR2110逆變器原理圖

由圖3可知，當Ua為高電平時，輸出端HO1同樣為高電平，從而使IR2110芯片的電容自舉功能能夠調(diào)節(jié)MOS管Q1的開路。同時，由于輸出端LO1為低電平，MOS管Q4處于截止狀態(tài)，無法驅(qū)動。同時Vb也輸入高電平，表示輸出端LO2處于高電平狀態(tài)，之后MOS管Q3導(dǎo)通，Q2截止。結(jié)果，通過 HO1 Q1 P2 Q3 GND 構(gòu)建了一條路徑。當Ua、Vb為低電平狀態(tài)，Ub、Va為高電平狀態(tài)時，電流流過HO2 Q2 P2 Q4 GND的路徑，開關(guān)器件（4個MOS管）導(dǎo)通和截止依次交替，從而在P2（負載端）位置形成交流電。由于芯片上下臂同時導(dǎo)通產(chǎn)生的短路在實際應(yīng)用中很常見，因此在軟件設(shè)計過程中增加了額外的死區(qū)時間，以防止短路，保護整個電路的正常工作。

2.2 單片機系統(tǒng)

Microchip的 PIC 系列微控制器具有集成多個外圍模塊、性能穩(wěn)定、硬件系統(tǒng)架構(gòu)簡單、功耗低等優(yōu)點。因此， 本研究選擇PIC16F716單片機作為逆變器的主控制器。這些特性大大降低了電路構(gòu)建成本，因為 PIC16F716 微控制器不需要額外的A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換芯片，并且包含四個8位A/D轉(zhuǎn)換通道。

同時， PIC16F716 單片機還包括內(nèi)置上電延遲定時器（DWRT）、雙閾值欠壓復(fù)位電路、可編程代碼保護、上電復(fù)位電路（POR）、看門狗定時器（ WDT）、振蕩器啟動定時器（OST）、片上 RC 振蕩器、 在線串行編程 （ICSP）等。這些功能品質(zhì)可以降低單片機上電路器件的成本和外部器件的數(shù)量，從而使整個系統(tǒng)設(shè)備尺寸更小，在實際應(yīng)用中具有顯著的成本效益。在該系統(tǒng)架構(gòu)中， PIC16F716微控制器采用具有增強型PWM模式 的半橋輸出拓撲 （即微控制器可以提供從P1A到P1D的四個輸出）。大多數(shù)情況下，只需兩個引腳即可實現(xiàn)半橋輸出模式。

輸出用于驅(qū)動推挽負載。圖4為PIC16F716單片機小型系統(tǒng)的外圍電路引腳圖 ，其中半橋臂通常由RB1和RB2控制（通常使用可編程死區(qū)來達到延遲目的，以避免射擊）通過半橋輸出模式下大功率器件的現(xiàn)象），RB5/P1B引腳為 PWM 波輸出信號，RB3/CCP1/P1A引腳為互補 PWM 波。此外，IR2110芯片驅(qū)動輸出信號。

圖4 PIC16F716外圍電路圖

2.3 保護電路設(shè)計

本研究逆變電源設(shè)計中包含了保護電路，如圖5所示。當逆變輸出電流達到2.5A時，過流電流ACK超過4.5V，SPWM芯片檢測到ACK超過2.5V 。 V、逆變器保護動作，LED P燈閃爍。除此之外，LED L 燈閃爍。LC電路由輸出濾波電路選擇，其設(shè)計參數(shù)如下：L=1mH，C=3uF，截止頻率為2.5kHz。

三．系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PWM波的實現(xiàn)原理

在本研究中，我們展示了PIC16F716單片機的增強型捕獲/比較/PWM模塊（因此稱為ECCP模塊）如何快速實現(xiàn)兩路輸出互補對稱PWM波。只要正確設(shè)置ECCP模塊工作模式下的寄存器CCP1CON、周期寄存器PR2和脈寬寄存器CCPR1L三段的值，就可以產(chǎn)生所需的PWM波。該模塊有全橋、半橋等多種工作模式可供選擇。本軟件設(shè)計中信號極性設(shè)置為高電平有效，采用半橋模式。半橋輸出模式下，兩個引腳用作輸出驅(qū)動推挽負載：RB3 引腳發(fā)送 PWM 輸出信號，RB5 引腳輸出互補的 PWM 直通輸出信號。此外，在半橋輸出模式的情況下，可編程死區(qū)時間延遲可以避免半橋電路中的現(xiàn)象。

圖5 逆變器保護電路

3.2 參數(shù)計算與配置

為了生成PWM波，必須確定兩個參數(shù)：PWM波的周期T和PWM波的脈沖寬度Twidth。根據(jù)設(shè)計要求，PWM 波的頻率必須為 50 Hz，占空比為 30%。周期T=1/F=1/50=20ms；脈沖寬度 Twidth = 20 ms X 30% = 6 ms；然后，根據(jù)相應(yīng)的公式，可以計算出周期寄存器PR2的初始值和脈寬寄存器CCPR1L的初始值。

關(guān)鍵程序代碼如下：

// 設(shè)置工作模式為PWM模式 CCP1CON = 0B10001100;

// 死區(qū)時間控制設(shè)置 PWM1CON = 0X01;

//設(shè)置TMR2工作模式 T2CON = 0X00;

// 設(shè)置對稱脈沖周期參數(shù) PR2 = g_Period;

// 設(shè)置脈寬值 CCPR1L = g_DutyWidth;

// 禁用 T2 中斷 TMR2IE = 0;

// 啟動 T2 定時器 TMR2ON = 1;

3.3 程序?qū)嶒灲Y(jié)果

將軟件上傳到單片機后，打開測試，使用雙跡示波器測量RB3和RB5的輸出波形，如圖6所示。信號的大小和方向隨時間頻繁變化，如圖，滿足逆變器?？紤]到標準交流信號的特性后，結(jié)果符合逆變電路的要求。

圖6 輸出波形

四．結(jié)論

本文將逆變電路理論與單片機技術(shù)相結(jié)合，最終實現(xiàn)了一種基于SPWM技術(shù)的獨立逆變 電源 的設(shè)計。實驗證明，通過軟件編程，可以實現(xiàn)單片機控制芯片PIC16F716的PWM模塊的輸出功能，實現(xiàn)SPWM波序列的輸出。

本工作中的逆變電路設(shè)計為全橋電路。采用Microchip PIC16F716芯片完成全橋逆變過程中SPWM專用芯片的設(shè)計，不僅簡化了系統(tǒng)電路，而且提高了電路效率，實現(xiàn)了電路高頻化和結(jié)構(gòu)小型化。整流逆變器實物圖如圖7所示。

圖7 整流逆變器