CN103701439A - 一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路，包括与微控制器的PWM端口连接的反相器（101）、与所述反相器（101）电气连接的调节电路（102）、以及与所述调节电路（102）和第一基准电路（103）均电气连接的第一PWM输出电路（105）、与所述调节电路（102）和第二基准电路（104）均电气连接的第二PWM输出电路（106），其中，所述第一基准电路（103）的一端与外部电源连接、所述第一基准电路（103）的另一端经所述第二基准电路（104）接地。实施本发明的有益效果是，微控制器只需使用一个PWM端口就能够控制同桥臂的两个开关元件并产生死区时间，因此能够有效节省微控制器的PWM端口。

Description

一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路

技术领域

本发明涉及开关器件驱动控制技术领域，更具体地说，涉及一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路。

背景技术

在家电、工业控制、电源等领域经常要同时控制多个开关器件，便需要使用多个PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）端口，当采用单个微控制器控制时，会造成PWM端口不够用，通常是采用增加微控制器数量的方法来增加PWM端口的数量，该方法不仅需要解决多个微控制器之间的通信问题，增加了***控制的复杂程度，而且同时也增加了成本。

在现有技术中，通常由微控制器输出两路互补的控制信号实现对同桥臂两个开关元件的控制，而控制同桥臂的两个开关元件时需要微控制器使用两个PWM端口。以三相交流电机为例，目前国内的电机控制方案主要采用TI厂家生产的DSP作为主控芯片，通过软件配置其芯片的6路PWM外设产生调制波，再控制其开关元件完成电子换向，同时死区时间也是通过配置寄存器完成，虽然采用通过软件配置DSP的PWM外设的方式在控制上较为简单，但是需要占用6路PWM端口输出，对于一些对PWM端口需求较大的使用场合，这样的设计明显不能满足使用需求，例如在控制电机的同时需要实现多路模拟量输出的场合，模拟量输出的最佳方式就是通过PWM端口的脉宽变化反映输出量，而PWM端口多的DSP其成本也会大幅提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路，包括与微控制器的PWM端口连接的反相器、与所述反相器电气连接的调节电路、与所述调节电路和第一基准电路均电气连接的第一PWM输出电路以及与所述调节电路和第二基准电路均电气连接的第二PWM输出电路，其中，所述第一基准电路的一端与外部电源连接、所述第一基准电路的另一端经所述第二基准电路接地；

所述反相器用于滤除干扰信号，对从所述PWM端口接收的PWM信号进行整形处理；

所述第一基准电路用于提供第一基准电压给所述第一PWM输出电路，所述第二基准电路用于提供第二基准电压给所述第二PWM输出电路；

所述第一PWM输出电路用于输出第一PWM信号，所述第二PWM输出电路用于输出第二PWM信号，其中，所述第一PWM信号与所述第二PWM信号为两路带死区的互补PWM信号；

所述调节电路用于调节所述第一PWM输出电路和所述第二PWM输出电路输出的两路互补PWM信号的死区时间。

在上述单输入双输出脉宽调制信号产生电路中，所述第一基准电路包括第一电阻、第二电阻以及第一电容、所述第二基准电路包括第三电阻以及第二电容；其中，所述第一电阻的一端与外部电源连接、所述第一电阻的另一端依次经所述第二电阻和所述第三电阻接地，所述第一电容的一端连接所述第一电阻和所述第二电阻的连接点、所述第一电容的另一端接地，所述第二电容与所述第三电阻并联连接。

在上述单输入双输出脉宽调制信号产生电路中，所述调节电路包括第四电阻以及第三电容，所述第四电阻的一端与所述反相器的输出端连接、所述第四电阻的另一端经所述第三电容接地。

在上述单输入双输出脉宽调制信号产生电路中，所述第一PWM输出电路包括第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第一比较器，所述第五电阻的一端连接所述第一比较器的正输入端、所述第五电阻的另一端连接所述第一电阻和所述第二电阻的连接点，所述第六电阻的一端连接所述第一比较器的负输入端、所述第六电阻的另一端分别与所述第七电阻的一端、所述第四电阻和所述第三电容的连接点连接，所述第七电阻的另一端接地，所述第一比较器的输出端输出第一PWM信号。

在上述单输入双输出脉宽调制信号产生电路中，所述第二PWM输出电路包括第八电阻、第九电阻以及第二比较器，所述第八电阻的一端分别与所述第二比较器的正输入端、所述第四电阻和所述第三电容的连接点连接，所述第八电阻的另一端接地；所述第九电阻的一端与所述第二比较器的负输入端连接、所述第九电阻的另一端连接所述第二电阻和所述第三电阻的连接点，所述第二比较器的输出端输出第二PWM信号。

在上述单输入双输出脉宽调制信号产生电路中，还包括第十电阻，所述第十电阻的一端连接外部电源，所述第十电阻的另一端连接所述反相器的输出端和所述第四电阻的连接点。

在上述单输入双输出脉宽调制信号产生电路中，所述第一基准电压大于所述第二基准电压。

在上述单输入双输出脉宽调制信号产生电路中，所述微控制器的PWM端口输出的PWM信号以及所述第一PWM输出电路输出的第一PWM信号和所述第二PWM输出电路输出的第二PWM信号均为低电平有效信号。

实施本发明的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，具有以下有益效果：由于微控制器的一个PWM端口能够把一路PWM信号转变为两路带死区的互补PWM信号输出，并且死区时间可以调节，易于实现，成本较低，即微控制器只需使用一个PWM端口就能够控制同桥臂的两个开关元件并产生死区时间，因此能够有效节省微控制器的PWM端口，解决了电机控制领域中控制***的PWM端口不够用的问题。例如通过PWM端口输出的脉冲信号控制三相交流电机的电子换向时，采用本发明的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，只需微控制器的3路PWM端口即可实现微控制器对电机的电子换向控制，大大降低了产品的开发成本，并且可以灵活设置PWM信号的死区时间，完全避免了同桥臂直通的风险，从而提高了产品的可靠性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路的功能模块图；

图2是本发明一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路的电路原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路的功能模块图，包括与微控制器的PWM端口连接的反相器101、与反相器101电气连接的调节电路102、以及与调节电路102和第一基准电路103均电气连接的第一PWM输出电路105、与调节电路102和第二基准电路104均电气连接的第二PWM输出电路106，第一基准电路103的一端与外部电源VCC连接、第一基准电路103的另一端经第二基准电路104接地。其中，微控制器可以按照预先设置的控制程序在PWM端口输出所需的PWM信号，因为一些***电路的影响，则需通过反相器101来滤除电路中存在的干扰信号，对从PWM端口接收的PWM信号进行整形处理，防止微控制器上电误动作；第一基准电路103用于提供第一基准电压给第一PWM输出电路105，第二基准电路104用于提供第二基准电压给第二PWM输出电路106。

第一PWM输出电路105用于输出第一PWM信号，第二PWM输出电路106用于输出第二PWM信号，其中，第一PWM信号与第二PWM信号为两路带死区的互补的PWM信号，而根据调节电路102可以调节第一PWM输出电路105和第二PWM输出电路106输出的两路互补的PWM信号的死区时间。因此该单输入双输出脉宽调制信号产生电路可以将一路PWM信号转换成死区时间可调的两路互补的PWM信号输出，即微控制器只需一个PWM端口就能够控制同桥臂的两个开关元件并产生死区时间，完全避免同桥臂直通的风险，有效地节约了微控制器的PWM端口。

图2为本发明一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路的电路原理图，其中，反相器101优选为施密特反相器U2，在该电路中反相器U2是必不可少的，在复杂的电子环境中，存在着难以掌握的电磁干扰，通过反相器U2可以滤除干扰信号，对PWM端口输出的PWM信号MCU_PWM进行整形处理。调节电路102包括电阻R4以及电容C3，电阻R4的一端与反相器U2的输出端连接、电阻R4的另一端经电容C3接地。

第一基准电路103包括电阻R1、电阻R2以及电容C1，第二基准电路104包括电阻R3以及电容C2；电阻R1的一端与外部电源VCC连接、电阻R1的另一端依次经电阻R2和电阻R3接地，电容C1的一端连接在电阻R1和电阻R2之间、电容C1的另一端接地，电容C2与电阻R3并联连接。

第一基准电路103用于提供第一基准电压，即在电阻R1和电阻R2之间的A点形成一个基准电压，该电路中电容C1为储能电容，主要是用于保持第一基准电压稳定。第二基准电路104用于提供一个比第一基准电压小的第二基准电压，即在电阻R3和电容C2并联的一端B点产生第二基准电压，此外，电容C2的作用也是为保持第二基准电压稳定。

第一PWM输出电路105包括电阻R5、电阻R6、电阻R7以及第一比较器U1-A，电阻R5的一端连接在电阻R1和电阻R2之间、电阻R5的另一端连接第一比较器U1-A的正输入端，电阻R6的一端连接第一比较器U1-A的负输入端、电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端、电阻R4和电容C3的连接点连接，电阻R7的另一端接地，第一比较器U1-A的输出端输出第一PWM信号PWM_U1以控制开关元件的导通与关断。

第二PWM输出电路106包括电阻R8、电阻R9以及第二比较器U1-B，电阻R8的一端分别与第二比较器U1-B的正输入端、电阻R4和电容C3的连接点连接，电阻R8的另一端接地；电阻R9的一端与第二比较器U2-A的负输入端连接、电阻R9的另一端与电容C2和电阻R3的连接点连接，第二比较器U1-B的输出端输出第二PWM信号PWM_U2以控制开关元件的导通与关断。

在上述脉宽调制信号产生电路中，所有PWM信号均为低电平有效，输出的第一PWM信号PWM_U1和第二PWM信号PWM_U2为两路互补的PWM信号，并存在一定的死区时间，而且该死区时间可以通过电阻R4和电容C3组成的调节电路102进行调节，即通过改变电阻电容的值便可灵活调节死区时间。通过这两路PWM信号再去控制功率电路中处于同桥臂的开关元件时，完全避免了同桥臂直通的风险，提高了产品的可靠性，因此微控制器只需使用一个PWM端口就能够控制同桥臂的两个开关元件并产生死区时间，能够有效节省微控制器的PWM端口，并且可靠性好，成本极低。

现详细介绍本发明单输入多输出脉宽调制信号产生电路的具体工作原理：在该信号产生电路中所有的PWM信号均为低电平有效，因此在该电路中反相器U2是必不可少的，这是因为在复杂的电子环境中，存在着难以掌握的电磁干扰，通过设置反相器U2能有效保证当PWM端口输出的PWM信号处于高电平状态时不会由于干扰信号而产生误动作，因此反相器U2的存在能有效的防止电磁干扰，防止上电误动作的产生，并且保证了PWM端口输出的PWM信号与第一PWM输出电路105输出的第一PWM信号PWM_U1的波形是一致的。在反相器U2的输出为高电平并且电压值低于外部电源提供的5V电压时，则可通过外部电源给电阻R4补充电流。

通过第一基准电路103提供第一基准电压到第一比较器U1-A的正输入端，即给第一比较器U1-A的正输入端设置了反向比较翻转的阈值；第二基准电路104提供第二基准电压到第二比较器U1-B的负输入端，即给第二比较器U1-B的负输入端设置了同相比较翻转的阈值，其中，第一基准电压大于第二基准电压。初始上电时，微控制器的PWM端口输出的PWM信号为高电平，经反相器U2之后输出为低电平，因第一比较器U1-A的正输入端即5脚的电压相当于第一基准电压，此时第一比较器U1-A的正输入端电压大于负输入端电压，第一比较器U1-A输出高电平，而第二比较器U1-B的负输入端即6脚的电压大于第二比较器U1-B的正输入端即7脚的电压，此时第二比较器U1-B输出低电平。

在微控制器的PWM端口输出的PWM信号为低电平时，经反相器U2之后输出为高电平，其电压值一般会小于外部电源电压5V，此时外部电源电压会通过上拉电阻R10给电阻R4补充电流。电容C3处于充电状态，第一比较器U1-A负输入端的电压和第二比较器U1-B正输入端的电压相当于电阻R4和电容C3的连接点C点的电压，其中，电阻R4和电容C3的值决定了充电时间的快慢，当C点电压低于第一基准电压和第二基准电压时，第一比较器U1-A仍输出高电平，第二比较器U1-B仍输出低电平，待充电一段时间后，C点电压高于第二基准电压但低于第一基准电压时，第一比较器U1-A的正输入端电压高于负输入端电压，输出高电平；而第二比较器U1-B的正输入端电压也高于负输入端电压，同样输出高电平，电容C3继续充电，当C点电压高于第一基准电压时，第一比较器U1-A的正输入端电压低于负输入端电压，此时第一比较器U1-A输出低电平，同是第二比较器U2-A仍输出高电平。死区时间即是第一比较器U1-A和第二比较器U1-B输出同时为高电平的时间，因有效电平为低电平，即开关元件在第一比较器U1-A或第二比较器U1-B输出的PWM信号为低电平时导通、PWM信号为高电平时截止，所以能完全避免同桥臂直通的风险。

之后在微控制器的PWM端口输出的PWM信号为高电平时，经反相器U2之后输出为低电平，电容C3开始放电，当C点电压低于第一基准电压而大于第二基准电压时，第一比较器U1-A输出高电平，第二比较器U2-A也输出高电平。电容C3继续放电，待C点电压低于第二基准电压时，第一比较器U1-A输出高电平，第二比较器U1-B输出低电平，直至C点电压为0。其中，第一比较器U1-A和第二比较器U1-B输出同时为高电平的时间即为死区时间，因低电平有效，可完全避免同桥臂直通的风险，并且死区时间可通过电阻R4和电容C3组成的死区时间调节电路进行调节，即改变电阻R4和电容C3的参数便可灵活设置两路互补PWM信号的死区时间。之所以需调节死区时间，是因为在采用PWM控制时，同桥臂的开关元件是不能同时导通的，否则直流电源会在内部形成短路，这是绝对不允许的，为了避免开关元件的切换反应不及时可能造成的短路，一定要在输出的两路PWM信号之间设定互锁时间，即死区时间。

以在三相交流电机中的应用为例，目前国内的电机控制方案主要采用TI厂家生产的DSP作为主控芯片，通过软件配置其芯片的6路PWM外设产生调制波，再控制其开关元件完成电子换向，同时死区时间也是通过配置寄存器来完成，虽然采用通过软件配置DSP的PWM外设的方式在控制上较为简单，但是需要占用6路PWM端口输出，成本较高。而通过采用本发明的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，只需3路PWM端口即可完成三相交流电机的电子换向控制，即只需具有3路PWM端口的微控制器，每一路PWM端口均连接上述单输入双输出脉宽调制信号产生电路，一路PWM端口便可控制同桥臂的两个开关元件的导通与关断，并且死区时间可调，完全避免了同桥臂直通的风险，并且三路PWM端口输出的PWM信号均可通过微控制器按照预先的控制程序设置。在三相交流电机控制中，通过利用本发明的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，PWM端口只需利用3个，对于含有多个PWM端口的微控制器可节省3个PWM端口供软件开发者实现如模拟量输出、比例电压输出等应用场合的设计，从而大大降低了产品的开发成本，且可以灵活设置输出的两路互补的PWM信号的死区时间，完全避免了同桥臂直通的风险，从而提高了产品的可靠性。

因此实施本发明提供的一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路，电路结构简单，能够把一路PWM信号转变为两路PWM信号输出，并且死区时间可以调节，易于实现，成本较低，因此采用目前广泛使用的低成本单路输出控制芯片，配合本发明电路，即可实现需要2个开关元件的功率变换器拓扑电路控制，而且扩展了微处理器的外设控制功能，解决了电机控制领域中控制***的PWM端口不够用的问题。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种单输入双输出脉宽调制信号产生电路，其特征在于，包括与微控制器的PWM端口连接的反相器（101）、与所述反相器（101）电气连接的调节电路（102）、与所述调节电路（102）和第一基准电路（103）均电气连接的第一PWM输出电路（105）以及与所述调节电路（102）和第二基准电路（104）均电气连接的第二PWM输出电路（106），其中，所述第一基准电路（103）的一端与外部电源连接、所述第一基准电路（103）的另一端经所述第二基准电路（104）接地；

所述反相器（101）用于滤除干扰信号，对从所述PWM端口接收的PWM信号进行整形处理；

所述第一基准电路（103）用于提供第一基准电压给所述第一PWM输出电路（105），所述第二基准电路（104）用于提供第二基准电压给所述第二PWM输出电路（106）；

所述第一PWM输出电路（105）用于输出第一PWM信号，所述第二PWM输出电路（106）用于输出第二PWM信号，其中，所述第一PWM信号与所述第二PWM信号为两路带死区的互补PWM信号；

所述调节电路（102）用于调节所述第一PWM输出电路（105）和所述第二PWM输出电路（106）输出的两路互补PWM信号的死区时间。

2.根据权利要求1所述的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，其特征在于，所述第一基准电路（103）包括第一电阻（R1）、第二电阻（R2）以及第一电容（C1）、所述第二基准电路（104）包括第三电阻（R3）以及第二电容（C2）；其中，所述第一电阻（R1）的一端与外部电源连接、所述第一电阻（R1）的另一端依次经所述第二电阻（R2）和所述第三电阻（R3）接地，所述第一电容（C1）的一端连接所述第一电阻（R1）和所述第二电阻（R2）的连接点、所述第一电容（C1）的另一端接地，所述第二电容（C2）与所述第三电阻（R3）并联连接。

3.根据权利要求2所述的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，其特征在于，所述调节电路（102）包括第四电阻（R4）以及第三电容（C3），所述第四电阻（R4）的一端与所述反相器（101）的输出端连接、所述第四电阻（R4）的另一端经所述第三电容（C3）接地。

4.根据权利要求3所述的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，其特征在于，所述第一PWM输出电路（105）包括第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第七电阻（R7）以及第一比较器（U1-A），所述第五电阻（R5）的一端连接所述第一比较器（U1-A）的正输入端、所述第五电阻（R5）的另一端连接所述第一电阻（R1）和所述第二电阻（R2）的连接点，所述第六电阻（R6）的一端连接所述第一比较器（U1-A）的负输入端、所述第六电阻（R6）的另一端分别与所述第七电阻（R7）的一端、所述第四电阻（R4）和所述第三电容（C3）的连接点连接，所述第七电阻（R7）的另一端接地，所述第一比较器（U1-A）的输出端输出第一PWM信号。

5.根据权利要求3所述的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，其特征在于，所述第二PWM输出电路（106）包括第八电阻（R8）、第九电阻（R9）以及第二比较器（U1-B），所述第八电阻（R8）的一端分别与所述第二比较器（U1-B）的正输入端、所述第四电阻（R4）和所述第三电容（C3）的连接点连接，所述第八电阻（R8）的另一端接地；所述第九电阻（R9）的一端与所述第二比较器（U1-B）的负输入端连接、所述第九电阻（R9）的另一端连接所述第二电阻（R3）和所述第三电阻（R3）的连接点，所述第二比较器（U1-B）的输出端输出第二PWM信号。

6.根据权利要求3所述的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，其特征在于，还包括第十电阻（R10），所述第十电阻（R10）的一端连接外部电源，所述第十电阻（R10）的另一端连接所述反相器（101）的输出端和所述第四电阻（R4）的连接点。

7.根据权利要求1所述的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，其特征在于，所述第一基准电压大于所述第二基准电压。

8.根据权利要求1所述的单输入双输出脉宽调制信号产生电路，其特征在于，所述微控制器的PWM端口输出的PWM信号以及所述第一PWM输出电路（105）输出的第一PWM信号和所述第二PWM输出电路（106）输出的第二PWM信号均为低电平有效信号。

Images