CD4046鎖相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用

應(yīng)用于釬焊、熔煉等熱加工工藝的感應(yīng)加熱電源在運行過程中 ，隨著負(fù)載溫度升高和爐料的熔化 ，負(fù)載等效參數(shù)會產(chǎn)生時變 ，從而引起負(fù)載固有諧振頻率的變化。為了使逆變器始終工作在功率因數(shù)接近或等于 1 的準(zhǔn)諧振或諧振狀態(tài) ，控制電路必須能夠?qū)崿F(xiàn)頻率自動跟蹤。

本文采用 LEM 電流傳感器、電壓比較器和CD4046 鎖相環(huán)對負(fù)載電流進(jìn)行頻率跟蹤 ，實現(xiàn)了功率器件的零電流開關(guān)( ZCS) ，減小了開關(guān)損耗和電磁干擾( EMI) 。由于在電路剛起動時 ，電流反饋信號為零 ， CD4046 不能入鎖。本文提出了一種利用CD4046 自身特點實現(xiàn)的它激到自激的轉(zhuǎn)換電路 ，很好地解決了這一問題。另外 ，加上相位補償電路的引入 ，最終實現(xiàn)了頻率自動跟蹤控制。整個電路具有跟蹤速度快、跟蹤頻率準(zhǔn)確、保護(hù)容易、抗干擾能力強等優(yōu)點。

CD4046鎖相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用----鎖相環(huán)功能原理

鎖相環(huán)簡稱為 PLL ，主要由 3 個基本單元構(gòu)成：相位比較器 PD 、壓控振蕩器 VCO 和外接的 R 、C 無 源低通濾波器 LPF 。CD4046 包含前面 2 個單元 ，使用時外接低通濾波器 ， 從而形成完整的鎖相環(huán)。PLL 功能框圖如圖 1 所示。

施加于相位比較器的有輸入信號 V i ( t ) 和壓控振蕩器的輸出信號 Vo ( t ) 。相位比較器輸出信號V e ( t) 正比于 V i ( t ) 和 Vo ( t ) 的相位差。V e ( t ) 經(jīng)低通濾波器濾去高頻成分后得到一個平均電壓V d ( t) ，去控制壓控振蕩器的頻率變化 ，使輸入與輸出信號頻率之差不斷減少 ，直到這個差值為零時鎖定 ，實現(xiàn)頻率跟蹤。低通濾波器的時間參數(shù)決定了跟隨輸入信號的速度 ，同時也限制了 PLL 的捕捉范圍。

CD4046鎖相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用----CD4046 鎖相環(huán)的邏輯結(jié)構(gòu)

從圖 2 中可以看出 ，CD4046 包含了 2 個相位比較器(鑒相器) 、1 個壓控振蕩器以及 2 個附加部分 ，即輸入信號源極跟隨器和穩(wěn)壓管 ，比較器有 2 個共同輸入信號端(3 和 14 腳) “，信號輸入”既可以與大信號直接匹配 ，又可以間接地通過串聯(lián)電容接入小信號。自偏置電路可在放大器的線性區(qū)域調(diào)整小電壓信號。

相位比較器 1 是異或門 ，產(chǎn)生 1 個數(shù)字信號(2腳) ，并在“信號輸入”與“相位比較器輸入”信號之間的中心頻率處維持 90°相移(要求輸入信號占空比為50 %) 。

相位比較器 2 由邏輯門控制的 4 個邊沿觸發(fā)器和 3 態(tài)輸出電路組成 ，產(chǎn)生數(shù)字誤差信號(13 腳) 和相位脈沖輸出(1 腳) ，并在“信號輸入”與“相位比較器輸入”信號之間保持嚴(yán)格同步 ，產(chǎn)生 0°相移(與占空比無關(guān)) 。故本文采用相位比較器 2 。

線性 VCO (4 腳) 產(chǎn)生 1 個輸出信號 ，其頻率與VCO 輸入的電壓以及連接到引出端的電容 C 值及R1 和 R2 的阻值有關(guān)。并且輸出頻率范圍 f min～f max滿足以下公式：

相位脈沖輸出端 (1 腳) ，用于表示鎖定或 2 個信號之間的相位差。如果相位脈沖端輸出高電平 ，表示處于鎖定狀態(tài)。在信號輸入端無信號輸入時 ，壓控振蕩器被調(diào)整在最低頻率上。

CD4046鎖相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用----CD4046 鎖相環(huán)的起動入鎖

由于電路起動瞬間 ， 電流反饋信號為零 ，VCO始終在最低頻率處振蕩 ，這樣就存在起動時不能自動入鎖問題。一般采用它激到自激的轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)起動問題。

如圖 5 所示 ，電路啟動后 ，隨著電容 Cs 的充電 ， A 點電壓由 VCC逐漸降低 ，VCO 輸出頻率從最大值 f max滑向最小值 f min 。只要負(fù)載的固有諧振頻率在f max至 f min之間 ，就會引起負(fù)載諧振 ，鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài) ，順利地啟動逆變器。此過程完成后 ，二極管會導(dǎo)致?lián)Q流時間太長使占空比損失。一般， Cs 的值應(yīng)取 5 nF～30 nF 左右。Cr 的值一般應(yīng)該取得比 Cs的值大 5～30 倍比較合適， 以滿足 V F 的零電壓關(guān)斷， 并且不使有效占空比變得太少。L r 的值影響V F開通時和整流橋上橋臂兩管關(guān)斷時的電流上升率，應(yīng)主要根據(jù)流過 V F 管的最大電流的值進(jìn)行選取，一般選擇 1～10 μH。由于 V7 、V8 只在極短的時間內(nèi)流過電流， 故可以選擇比較小的管子。