基于IR2110的打印機(jī)高頻逆變器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

*基金項(xiàng)目：湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目（20YX30）。

當(dāng)今社會(huì)，開(kāi)關(guān)電源等方面的技術(shù)已經(jīng)在電力電子應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)部分處于重要位置。隨著高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展，其不僅改變了傳統(tǒng)電路龐大又笨重的外觀結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，而且極大地為電源部分電能的回收利用效率做出卓越貢獻(xiàn)，既節(jié)省了材料，又降低了成本。逆變技術(shù)的研究對(duì)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高都具有重大的意義^[1]。

由電力電子技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，逆變器是較早采用的一種DC/AC （直流/ 交流）變換裝置，逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能，一般由逆變橋、濾波電路及控制邏輯等部分組成。逆變器廣泛適用于家庭電器設(shè)備中。根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的需要，逆變器的造型安裝越來(lái)越傾向于小型化、智能化、模塊化等方向發(fā)展^[2]。

1   系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的逆變器小系統(tǒng)首先通過(guò)工頻220 V 電壓輸入接線柱后由降壓變壓器輸出24 V 交流電壓，輸出的24 V 交流電壓經(jīng)過(guò)單相橋式整流電路、兩塊穩(wěn)壓電路及若干二極管濾波后，輸出兩路穩(wěn)定的直流電壓（15 V 和5 V）為單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)芯片供電^[2]。同時(shí)，在線串行編程寫(xiě)入程序到單片機(jī)后產(chǎn)生的PWM（脈沖寬度調(diào)制）波觸發(fā)兩塊驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生兩相四路PWM 波，兩相四路的PWM 波分別產(chǎn)生互補(bǔ)的高通與低通信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的MOS（MOSFET 的縮寫(xiě)，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）管后形成電壓型全橋逆變電路。最后，在負(fù)載處可以檢測(cè)到產(chǎn)生的互補(bǔ)矩形波，輸出電壓220 V、50 Hz 交流電壓，最大輸出電流2.5 A，最大輸出功率不低于100 W。如上即完成整個(gè)逆變過(guò)程，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)芯片IR2110

IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片由美國(guó)國(guó)際整流器公司（現(xiàn)已被英飛凌公司收購(gòu)）生產(chǎn)^[2]，具有光耦隔離和電磁隔離等特性，因其體積小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為大多數(shù)中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。

2.1.1 IR2110的工作原理

電平平移、邏輯輸入、輸出保護(hù)等特點(diǎn)是組成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)的三個(gè)主要部分[2]。系統(tǒng)電路搭建設(shè)計(jì)部分之所以能避免許多麻煩，正是基于IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片的諸多優(yōu)點(diǎn)。比如在高位電壓懸浮自舉電源電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，就是通過(guò)了一組電源對(duì)上下端口之間的有效控制，從而盡可能多地控制了額外使用驅(qū)動(dòng)電源的個(gè)數(shù)。

高端側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路的自舉原理簡(jiǎn)單分析：IR2110驅(qū)動(dòng)芯片中的驅(qū)動(dòng)半橋電路如圖2 所示[3]。圖中可知C1、VD1 分別表示自舉電容和自舉二極管，C2 是供電電壓Vcc 的濾波電容。

首先假設(shè)S1 處于關(guān)斷時(shí)，自舉電容C1 所能承受的電壓已達(dá)到飽和狀態(tài)，即VC1 ≈ Vcc。當(dāng)HIN 處于高電平狀態(tài)時(shí)，其中VM1 開(kāi)通、VM2 關(guān)斷，VC1 電壓加于S1 柵極和源射極之間。那么此時(shí)，自舉電容C1 經(jīng)由Rg1、VM1、柵極和源極部分構(gòu)成了一個(gè)回路來(lái)進(jìn)行放電，可以把VC1 等同于電壓源，進(jìn)而觸發(fā)S1 開(kāi)通。然而已知HIN、LIN 之間的信號(hào)是互補(bǔ)輸入的，當(dāng)LIN 為低電平時(shí)，VM3關(guān)斷，VM4 導(dǎo)通， 此時(shí)電荷在S2 柵極以及源極的芯片內(nèi)部急速地通過(guò)Rg2對(duì)地釋放電能。此時(shí)受到死區(qū)時(shí)間波及，促使S2 在S1 導(dǎo)通之前就關(guān)斷了^[3]。

圖2 IR2110內(nèi)部工作原理圖

在HIN 位于低電平狀態(tài)時(shí)，VM1 關(guān)斷、VM2 開(kāi)通，此時(shí)S1 柵極內(nèi)的電荷會(huì)經(jīng)Rg1、VM2 迅速被釋放掉，從而觸發(fā)S1 關(guān)斷。經(jīng)過(guò)片刻的死區(qū)時(shí)間（td）之后，LIN 變成高電平，從而使S2 達(dá)到開(kāi)通狀態(tài)，供電電壓Vcc 通過(guò)S2、VD1 給自舉電容C1 充電，以此急速地給自舉電容C1 增加電能。如此反復(fù)循環(huán)。

2.1.2 IR2110逆變電路

IR2110 逆變?cè)韴D如圖3 中所示，U3、U4 是兩塊IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片，Q1、Q2、Q3、Q4 分別為4 個(gè)MOS管，Ua、Ub 和Va、Vb 分別為PIC16F716 單片機(jī)輸出到驅(qū)動(dòng)芯片引腳的兩相四路PWM 波，由圖可知Ua、Ub 為一相PWM 波中的上下臂，Va、Vb 則為另外一相PWM 波中的上下臂，由于PIC16F716 單片機(jī)觸發(fā)輸出到驅(qū)動(dòng)芯片部分的PWM 波達(dá)不到驅(qū)動(dòng)大功率MOS 管的能力，那么只有通過(guò)IR2110 中的電容自舉功能的特點(diǎn)，分別由二極管D9、D15（采用肖基特管所具有的快恢復(fù)功能，提升電容充電電壓，關(guān)斷過(guò)程減少消耗能量）對(duì)自舉電容C11、C12、C16、C17 來(lái)充電，以此達(dá)到提高驅(qū)動(dòng)MOS 管的信號(hào)端電壓，以便其擁有增加信號(hào)端輸出的功能，所以增加后的信號(hào)PWM 波就能持續(xù)地控制MOS 管Q1、Q2、Q3、Q4 的開(kāi)通以及關(guān)斷。此外驅(qū)動(dòng)信號(hào)在逆變電路中同相位的上下臂之間是互補(bǔ)的^[4]。

圖3 IR2110逆變?cè)韴D

由圖3 可知，當(dāng)Ua 處于高電平狀態(tài)時(shí)，那么輸出端HO1 同為高電平狀態(tài)，以此可以由IR2110 芯片的電容自舉功能，來(lái)控制MOS 管Q1 開(kāi)通。與此同時(shí)，因?yàn)檩敵龆薒O1 為低電平，達(dá)不到驅(qū)動(dòng)MOS 管Q4 的能力，則MOS 管Q4 處于關(guān)斷的狀態(tài)。在同一時(shí)刻，給Vb 也輸入一個(gè)高電平，即輸出端LO2 是高電平狀態(tài)，那么使MOS 管Q3 處于導(dǎo)通狀態(tài)，而Q2 此時(shí)是關(guān)段狀態(tài)。所以由HO1 → Q1 → P2 → Q3 → GND 就構(gòu)成了一條通路。反而言之，當(dāng)Ua、Vb 處于低電平狀態(tài)，而Ub、Va 為高電平狀態(tài)，此時(shí)的電流流向變?yōu)橛蒆O₂ → Q2 → P2 → Q4 → GND 的一條通路，其中的開(kāi)關(guān)器件（4 個(gè)MOS 管）有序地交替開(kāi)通以及關(guān)斷，從而導(dǎo)致在P2（負(fù)載端）位置形成了交流電。由于在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)發(fā)生芯片的上下臂間同時(shí)導(dǎo)通而引起的短路，所以在軟件設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，額外添加了死區(qū)時(shí)間來(lái)防止短路現(xiàn)象，以此來(lái)保護(hù)整個(gè)電路正常運(yùn)行^[5]。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)

美國(guó)Microchip( 微芯) 公司生產(chǎn)的PIC 系列單片機(jī)具有集成外圍模塊多、性能方面穩(wěn)定、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以本文選取PIC16F716 單片機(jī)作為逆變器的主控制器部分[5]。因?yàn)镻IC16F716 單片機(jī)不用額外附加A/D（模擬/ 數(shù)字）轉(zhuǎn)換器件，而且自帶4 個(gè)8 位A/D 轉(zhuǎn)換通道，所以這些特點(diǎn)就大為節(jié)省了電路設(shè)計(jì)的成本[4-6]。與此同時(shí)，PIC16F716 單片機(jī)中內(nèi)置上電延時(shí)定時(shí)器（DWRT）、雙閥值欠壓復(fù)位電路、可編程代碼保護(hù)、上電復(fù)位電路（POR）、看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）、振蕩器起振定時(shí)器（OST）、帶片內(nèi)RC振蕩器、在線串行編程（ICSP）等。這些功能特點(diǎn)可以降低電路器件的成本、減少單片機(jī)外部器件的數(shù)量，從而可以盡可能多地減少整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備尺寸大小，在實(shí)際應(yīng)用中擁有很強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)^[6]。

PIC16F716 單片機(jī)[9] 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是采用半橋輸出配置以及增強(qiáng)型PWM 模式( 即單片機(jī)可以供給由P1A 一直到P1D 的四路輸出)，大多數(shù)情況下可以在半橋輸出模式中把兩個(gè)引腳作為輸出驅(qū)動(dòng)的推拉式負(fù)載使用。圖4 是PIC16F716 單片機(jī)小系統(tǒng)外圍電路的引腳圖，其中半橋臂通常由RB1 與RB2 掌控( 通常為了避免在半橋輸出模式時(shí)大功率器件發(fā)生直通現(xiàn)象，用可編程死區(qū)以達(dá)到延時(shí)的目的)，RB5/P1B 引腳是PWM 波輸出信號(hào)，RB3/CCP1/P1A 引腳則是互補(bǔ)的PWM 波輸出信號(hào)。此外，輸出信號(hào)是由IR2110 芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)的^[6-8]。

圖4 PIC16F716外圍電路圖

2.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本文逆變電源設(shè)計(jì)中有保護(hù)電路，如圖5 所示。當(dāng)逆變輸出電流超過(guò)2.5 A 時(shí)，過(guò)流電流ACK 大于4.5 V，SPWM芯片檢測(cè)到ACK大于2.5 V時(shí)，則進(jìn)入逆變保護(hù)，LED_P 燈閃爍。反之，LED_L 燈閃爍。輸出濾波電路選用LC 電路，設(shè)計(jì)中參數(shù)L = 1 mH，C = 3 uF，截止頻率2.5 KHz。

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PWM波的實(shí)現(xiàn)原理

本文利用PIC16F716 單片機(jī)中自帶的增強(qiáng)型捕捉/比較/PWM 模塊（ 以下簡(jiǎn)稱ECCP 模塊） 就可快速實(shí)現(xiàn)兩路輸出互補(bǔ)對(duì)稱的PWM 波^[8]。只要正確設(shè)置ECCP 模塊的工作模式中寄存器CCP1CON、周期寄存器PR2、脈寬寄存器CCPR1L 這三個(gè)部分的值即可產(chǎn)生所需要的PWM 波。此模塊的工作模式有全橋、半橋等多種工作模式，本次軟件設(shè)計(jì)采用的是半橋模式，信號(hào)極性設(shè)為高電平有效。在半橋輸出模式下，有兩個(gè)引腳用作輸出驅(qū)動(dòng)推拉式負(fù)載，RB3 引腳輸出PWM 輸出信號(hào)，RB5 引腳輸出互補(bǔ)的PWM 直通輸出信號(hào)。此外，可編程死區(qū)延時(shí)可以在半橋輸出模式的情況下來(lái)避免半橋電路中現(xiàn)象。

圖5 逆變保護(hù)電路

3.2 參數(shù)計(jì)算與配置

產(chǎn)生PWM 波，需要確定兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是PWM波的周期T；一個(gè)是PWM 波的脈沖寬度Twidth 。設(shè)計(jì)要求為PWM波的頻率為50 Hz，占空比為30%。據(jù)此可計(jì)算出：周期  ；脈寬Twidth = 20 msX30% = 6 ms；那么，可根據(jù)相應(yīng)的公式可計(jì)算出周期寄存器PR2 初始值，脈寬寄存器CCPR1L 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)控制設(shè)置PWM1CON = 0X01;

// 設(shè)置TMR2 工作模式T2CON = 0X00;

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

// 設(shè)置脈沖寬度值CCPR1L = g_DutyWidth;

// 關(guān)閉T2 中斷TMR2IE = 0;

// 啟動(dòng)T2 定時(shí)器TMR2ON = 1;

3.3 程序?qū)嶒?yàn)結(jié)果

將程序下載至單片機(jī)后通電測(cè)試，用雙蹤示波器測(cè)得RB3 和RB5 的輸出波形，如圖6 所示，從圖中可以觀察得知信號(hào)的大小和方向隨時(shí)間做周期性變化，滿足逆變后標(biāo)準(zhǔn)的交流信號(hào)的特點(diǎn)，結(jié)果符合逆變電路要求。

4   結(jié)論

本文通過(guò)逆變電路原理結(jié)合單片機(jī)技術(shù)最終完成了基于SPWM 技術(shù)的獨(dú)立逆變電源的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)采用軟件編程實(shí)現(xiàn)SPWM 波序列的輸出，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制芯片PIC16F716 的PWM 模塊輸出功能^[9]。

本文逆變電路采用了全橋電路設(shè)計(jì)，在全橋逆變過(guò)程中，利用了Microchip 公司的PIC16F716 芯片為基礎(chǔ)完成SPWM 專用芯片的設(shè)計(jì)，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路，更提高了電路效率，實(shí)現(xiàn)了電路結(jié)構(gòu)的高頻化、小型化。整流逆變器實(shí)物圖如圖7 所示。

圖7 整流逆變器

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）