高频焊管锁相电路设计

付立功，轩宗志，葛永国，轩宗震

（1.保定红星高频设备有限公司，河北 保定 071000；2.河北省科技工程学校，河北 保定071000）

1 锁相电路原理

近年来，随着电力电子器件的迅速发展，采用大功率MOSFET场效应管的固态高频焊管电源逐步取代了电子管高频电源。锁相电路的锁相环 （phase-locked loop，简称PLL）是固态高频焊管电源的重要组成部分。在高频焊管电路中用CD4046集成电路作为锁相控制模块。在锁相环的工作过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。

在焊管过程中不可避免的感应线圈打火，接触焊触头跳动产生的火花等原因，都会使槽路的频率fi发生变化，此时压控振荡器输出的频率f0必须跟随fi变化，才能保证逆变器正负功率模块的转换在软开关[1]状态下进行，即ZVS（zero voltage-switchng）否则逆变器换相电流很大，器件开关损耗增大，器件发热，甚致损坏。频率跟踪的目的是使压控振荡器的输出频率f0始终等于槽路谐振频率fi，即 f0=fi，槽路中的电压与电流在相位上保持一致。因为电压和电流此时同相，所以使功率因数cosφ=1，便可以获得最大的效率。

锁相环是一个相位负反馈控制系统，它比较槽路频率和压控振荡器输出频率之间的相位差，用这个相位差来调整压控振荡器的频率始终等于槽路的频率。

当锁相环进入锁相状态时，它具有自动“扑捉”信号的能力，压控振荡器VCO在一定范围内扑捉到槽路频率的变化，同时强迫压控振荡器VCO锁定在这个频率上。

2 高频焊管电路原理

固态高频焊管电源主电路结构如图1所示。主电路包括整流电路和逆变电路。整流电路是三相全控可控硅，将三相工频电源转换成直流电源，其主要功能为：①调节直流电压，改变输出功率；②故障保护，整流电路输出电压Ud=1.35Ucosα （U 为线电压），当 α≥90°，Ud=0，将可控硅SCR的导通角α后移，使得α≥90°，能安全有效地将主电路电压降至零，从而限制故障电流的增长。

图1 高频焊管电源主电路电气原理图

逆变电路是并联升压谐振电路。具有较好的负载适应能力和可靠性。逆变电路为E类逆变器[2－6]，如图1所示，两对MOSFETS功率场效应管MOS1,MOS3和MOS2,MOS4轮流交替导通和截止，从而把直流电源变成单相高频交流电源。逆变电路发生谐振时，电路中电流与电压同相，电路呈电阻特性，其谐振频率fi为

式中：L—槽路等效总电感；

C—槽路等效总电容。

在焊管的过程中由于焊接速度，焊接温度以及磁棒冷却水温度的变化都会影响到槽路等效电感L发生变化，导致槽路谐振频率变化。因此，固态高频焊管电源的工作频率是个时常变化的参数。

100～400 kHz属于目前高频焊管广泛使用的焊接频率[7]。大直径厚壁管的焊接频率在100 kHz左右，小直径薄壁管的焊接频率在400 kHz左右。

3 锁相环的基本工作原理

锁相环可以用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。当没有fi输入信号时，环路滤波器的输出为某一固定值，这时，压控振荡器VCO将按这一固定值进行振荡，其输出为U0。当有频率为fi信号电压Ui输入时，U0和Ui同时加到鉴相器进行鉴相。如果fi与f0相差不大，鉴相器对Ui和U0进行鉴相的结果，输出一个与Ui和U0相位差成正比的误差电压Ud，再经过环路滤波器滤去Ud中的高频成分，输出一个控制电压UC，UC将使压控振荡器的输出频率f0发生变化。朝着fi输入的频率靠拢，最后使fi=f0，环路被锁定[8]。环路一旦进入锁定状态，压控振荡器的输出f0与输入fi之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差的存在。这时我们就称环路已被锁定。环路的锁定状态是对输入频率fi和相位不变而言的，若环路输入的频率和相位是不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器输出的频率f0和相位不断地跟踪输入信号的频率fi和相位变化，这时环路所处的状态称为跟踪状态。

典型的锁相环（PLL）包括3部分：鉴相器PD、低通滤波器LPF和压控振荡器VCO，其电路结构框图，如图2所示。

图2 锁相环电路结构框图

3.1 异或门鉴相器PD

异或门鉴相器PD（phase detector）是一个相位比较器，用来检测两个输入 A（Ui）与 B（U0）瞬时相位差，而输出Y（Ud）的电压则是相位差的函数，其逻辑关系为

异或门的真值表见表1，图3所示为逻辑符号图。

表1 异或门的真值表

图3 异或门逻辑符号图

从表1可知，如果输入端A和B分别送入占空比为50%的信号波形，则当两者存在相位差Δθ时，其输出频率F增加一倍，见图4。将F输出波形通过低通滤波器 （比例积分）滤平，其平均值与Δθ有关，见图5。这样就可以利用异或门来进行相位到电压的转换，构成相位检出电路。经异或鉴相器输出的电压平均值Ud为

式中：Kd—鉴相灵敏度。

图4 鉴相器波形

Δθ与Ud的关系可用图5来描述。从图中可知，两者呈线性关系。

由图5可见，对鉴相器输出误差电压Ud（t）起作用的不是其频率，而是 Ui（t）与 U0（t）的相位差。

图5 鉴相器输出特性

3.2 低通滤波器LPF

这里的低通滤波器LPF（loop pass filter）是一个有源比例积分（PI）调节器，低通滤波器是为了滤除鉴相器输出的高频信号，并对其输出波形进行滤波和平滑。如图6所示。

图6 有源滤波器原理图

当Ud刚加上时，一开始C10相当于短路状态，等于反馈回路只有电阻R16，此时相当于进行比例调节，随着C10被充电，就开始进行积分，也就是同时进行比例-积分两种调节。输出Uc与输入Ud与时间t的 关系，如图7所示。

滤波器的传递函数W（P）等于反馈回路阻抗与串在输入端的阻抗之比

图7 滤波器的特性

τ0=R10C10，为积分时间常数；

因此，PI调节器的输出是由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分，从而实现了比例积分调节作用。必须指出：积分电容C10不要接在靠近放大器的输入端这一边，如图6所示。因为电容器上出现的布线电容大于在电阻上出现的布线电容，如果C10靠近输入端得话，将与电阻R10一起构成一个惯性环节，使惯性增加。

3.3 压控振荡器VCO

压控振荡器VCO（voltage controlled oscillator）是锁相环PLL的控制对象。压控振荡器是一个电压—频率变换装置，它的振荡频率应随输入控制电压Uc（t）线性的变化。 即：

式中：ω0（t）—压控振荡的瞬时角频率；

K0—压控灵敏度，rad/s·V。

ωr—环内压控振荡器的自由振荡角频率，它也是环路的一个重要参数。

在环路中作为频率可调振荡器，其振荡频率应随输入控制电压Uc线性地变化，如图8所示。

图8 压控振荡器特性曲线

实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围压控灵敏度会下降。

压控振荡器的输出频率f0锁定到输入信号的频率fi上。在锁定状态，f0=fi，U0与Ui之间只有一个相角差Δθ，当锁相环锁定时，其相位误差Δθ=π/2，鉴相器的输出电压为 Vcc/2（见图5），使锁相环工作在稳定状态。当输入信号相位或频率发生变化时，就会使Δθ偏离π/2，鉴相器输出电压Ud改变，通过压控振荡器改变输出信号的相位或频率，使得Δθ回到π/2，锁相环重新回到锁定状态。

3.4 锁相环电路的设计

图9为锁相环的原理图，它是由集成锁相环CD4046和其他CMOS集成电路及线性集成电路组成，其电路的主要特征是电源电压范围宽、功耗低、抗干扰能力强。

图9 锁相环电路原理图

该锁相环中的相位比较器，采用了CD4046中的异或门相位比较器PD。此比较器具有较好的噪声抑制能力，并充分地利用触发同步信号的对称性获得最大的锁定范围。相位比较器又称鉴相器，它把一个周期性的输出信号电压Ui与压控振荡器的输出信号U0的相位进行比较，产生对应与两信号相位差的误差信号电压Ud，Ud信号电压加到比例积分放大器构成的有源低通滤波器，其2脚为输入端。低通滤波器又称为环路滤波器，它是一种线性系统，其作用是滤除误差信号电压Ud中的噪声和高频干扰信号电压，其输出为Uc（见图8），保证了环路具有良好的动态性能，进而提高系统的稳定性。压控振荡器的输出在锁相环CD4046的4脚，接到与非门U11C的8～9脚，其输出10脚倒相1800连接到4013双D触发器U12A的3脚上，它的输出2脚，频率下降一倍 （二分频）。这样，异或鉴相器输出增加一倍的频率被还原[9]。与非门U11B， U11A和U11D的作用是延时，使CD4046的3脚与14脚相位差900，14脚超前（见图4）。

压控振荡器的中心频率fr由R1、R2和C1来决定[10]，其中R1决定压控振荡器的最高频率fmax，R2决定压控振荡器的最低频率fmin，其估算公式为

从图9可知，R1=8.2 kΩ，R2=100 kΩ，C1=136 pf，则

对于低通滤波器的时间常数的选取原则是既要避免环路进入自激，又要保证输入频率的变化合理而又能快速响应的原则，最终选取C10=22 nf，R10=22 kΩ，R15=22 kΩ，R16=2.7 kΩ。

4 结 语

实践证明，锁相环具有频率自动跟踪和相位自动控制的功能，对于频率1 MHz以下，用CD4046锁相环做为高频焊管锁相电路非常实用，电路简单，抗干扰，运行可靠。一个合理的高频焊管锁相电路设计，可以保证高频焊管电源可靠工作。目前很多焊管企业要求一机多能，生产多种规格钢管，例如某机组生产钢管从φ219 mm到φ114 mm多个规格的钢管，使高频焊管的频率上限到下限的范围增大，锁相电路必需适应多规格多品种生产的需要。本文给出频率f=60 kHz到726 kHz范围设计计算的参数，可供参考。

［1］杨旭.开关电源技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

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［4］杨鸿均.电工电子基础[M].北京：中国电力出版社，2009.

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［7］李鹤林.中国焊管50年［M］.西安：陕西科学技术出版社，2008.

［8］顾耀祺.锁相［M］.北京： 科学出版社，1975.

［9］林红.数字电路与逻辑设计［M］.第 2 版.北京：清华大学出版社，2009.

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