随“芯”所欲----TDS2285试用记
杭州 老寿
对于象我这样不懂单片机编程的爱好者来说，要设计一个SPWM电路，首先肯定会想到用纯硬件方案，我在去年就花了大约半年时间来研究纯硬件SPWM的驱动电路，做出了很多版本的实验板，但没有一块是令人满意的。
总结一下整个过程，我觉得要做出一款性能指标比较好的纯硬件电路，有以下三难：
一是：设计一个性能稳定，波形良好的基准源有点难。一般常用的文氏电桥振荡器，虽然电路简单、起振容易，但有一个很头痛的问题，就是输出的幅度有温漂，且波形的失真度也较高，一般在1.7-2.5%之间。我也试过用函数块8038的振荡器，8038虽然输出比较稳定，但要把它的失真度做小，外围元器件也不算少了，更何况要几十元一个的高昂价格；
二是：要设计一个速度快且线性很好的调制器也不容易，我曾试过用3525做调制器的，也试过用LM339做调制器，总觉得不是电路复杂就是指标不高；
三是：设计一个大反馈稳压电路难。纯硬件方案中，做稳压反馈，一般是用误差放大器，如果放大器的增益过低，则稳压控制范围就不够大，稳压效果很差，如果放大器增益高了，又很容易自激；更有甚者，信号通过各级LC电路后，多多少少会有相移，所以在电路中还要做各种补偿。
所以，要做出一款性能指标都不错的纯硬件SPWM驱动，需要有很强的电路设计能力，很好的电路基础知识，钟工就有一款很不错的纯硬件驱动，http://bbs.dianyuan.com/topic/180615。而象我这样的业余级别的“砖家”，要做好是有难度的。当然，纯硬件的方案如果做好了，其性能稳定，反应迅速，不会死机，是单片机方案不能比的。
一、TDS2285简介
也是一个很偶然的机会，在论坛上看到了张工的TDS2285芯片：http://bbs.dianyuan.com/topic/488422，并下载了规格书进行研究。
该芯片的一个最大特点是外围电路简单，因为它是用程序来产生SPWM波的，所以就不需要“基准源”，也不需要“调制电路”，对于反馈稳压，它是取输出回路的直流信号（经整流）进行稳压的，所以稳压电路十分简单了，也不用考虑相移补偿等，所以电路大为简化，元件的数量大大减少，这对于象我这样的“单片机盲”来讲，拿来就可以使用。记得钟工说过一句话：“单片机可以延续一个人的智慧”，确是这样，一个小小的14脚的芯片，凝聚了当初张工开发时的全部智慧，而这些智慧则可以会部体现在所有用2285的逆变器中。下图就是TDS2285一种应用方案：
以下是TDS2285的规格书：![](/js/uploader/image/pdf.gif"){kind=small}
TDS2285N规格书
下面是各部分电路简介：
这是电源电压检测电路，BT电压（我的逆变器BT是12V）经上面的100K电阻和下面的10K电阻分压，输入到芯片的13脚，在BT为12V时，正常工作范围是9.5V~14.5V，也就是BT超出这个范围，芯片就关断SPWM输出，并用长声报警，LED做慢闪指示。
上面是自动稳压电路，这个稳压电路十分简单有效，用二个200K的隔离电阻，直接接到AC输出端，经简单的整流和滤波后输入到芯片的10脚。没有用取样变压器，既可以节省成本，又可以减小体积，实在巧妙。我没有对它的稳压精度做过详细的测试，但我的逆变器，当BT为11V时，在800W负载时也可以输出大于218V的电压，空载时我调在228V~230V。
这是TDS2285的过载短路保护示意图，正常工作模式下，11脚为高电平，当过载电路或短路保护电路检测到过载或短路时，输出一个高电平，8050导通，11脚电平被拉低，芯片就会在0.6US内关闭SPWM输出。因为过载和短路共用一个IO口，所以，在设计逆变器时，其它过载和短路保护要全部用外围电路来解决，这应该是设计逆变器的难点所在。我这台用2285的逆变器，这次没有设计过载保护电路，只有短路保护功能。因为每个人对过载和短路现象的理解不同，可能设计出来的电路也会有很大的不同。下面是我对这二个电路功能的理解：
1.过载保护：过载现象简单地说，就是工作时负载大于逆变器的额定输出功率，是一种超负荷运行状态，对设备来讲是很危险的。一般我们都会设计成用电流互感器来检测AC输出端的电流大小，这个方法比较简单，也很有效。例如：一台1000W的逆变器，负载加到1050W了，虽然过载了，但还不很严重，这时就要用声或光提示管理人员注意，如果负载不减轻，电路就要在延时一段时间后关闭机器（例如30秒后关断SPWM）。如果加载到1300W，同样除了有光或声提示外，延时时间要短一些（如10秒后就关断SPWM），也就是超负载越重，延时时间越短，这样可以充分保证设备的安全性。以这个要求来设计外围电路，估计电路也不会简单到哪里去了。
2.短路保护：一台好的逆变器，做一个完美的短路是最重要的，论坛上有很多大师级的朋友，他们的逆变器都可以经得起上百次的短路而不烧H桥，所以，短路保护电路都做为一个技术核心而被设计者保护，轻易不肯放出来，也难怪，一般要试验成功，都是要花很大代价的，一大堆一大堆地烧管子后才能成正果。短路保护电路的设计，关键是二点，第一是要读取H桥的工作电流，一般取自H桥母线上的取样电阻，以0.1R的电阻为例，一个1000W的逆变器，正常工作时应该在3A以内，也就是满载时取样电阻上应该有3V左右的电压。第二是从检测到短路后再到关断SPWM之间的延时要合适，以现在的元器件，要做到快，是没有问题的，但有个问题是：关得太快了，就无法启动冲击性负载了，一个1000W的小太阳灯管，从冷管启动到完全点亮，要0.2-0.3秒；启动一台冰箱也要0.2秒左右。如果简单以这个0.2或0.3秒来设计保护电路的延时时间，是肯定不行的，因为在高频20K的情况下，0.2秒时间内，H桥已经通过8000个大电流的脉冲了，管子早就烧得惨不忍睹了。唯一的办法是在这0.2或0.3秒时间内对H桥进行抑流，让它工作在一个安全的范围内。例如H桥用20A的管子，就让它限流在10A左右（对于1000W的机器来讲，10A就意味着它短时间输出3000W以上的功率了，启动冲击性负载完全没有问题），等0.2或0.3秒后，如果短路还没有解除，电路输出高平到TDS2285的11脚，关断SPWM。
我有一个朋友，在生产出口数码发电机的后级（实际上就是一个逆变器），用的就是这种保护方式，不过它是在程序中解决的，检测到短路后，单片机大幅度地削减SPWM的宽度，让H桥电流限止在一个安全的范围内，如果0.2钟短路还没有消除，就关断SPWM。它的外围电路没有时序和死区电路，全是在单片机中做好的，用的是一个32位单片机，输出4路直接到250光藕，工作很可靠。
上图是2285的报警电路，配合5脚上的LED一同工作，当BT出现过压或欠压时，蜂鸣器发出长声，LED做长闪；当11脚检测到过载或短路时，蜂鸣器发出短声，LED做短闪。
二、TDS2285的性能
限于技术和设备的原因，我无法对2285芯片做全面的技术测试，我只对它输出的正弦波失真度情况进行了测试，为了这项测试，我特意去买了一台固纬的201G失真度仪，因为从市面上看，常见的失真仪中，只有这款可以测试到300V，一般都只能测到100V。
下面是不同性质负载下的失真度指标：
上图是在空载和加载到400W左右的失真度，只有0.7%，这实在是一个比较满意的指标了。
上图是加载到800-1000W时的失真度情况，大约在0.90-0.95%之间。
上图是带一个感性负载（一台600W的磨光机）时的失真度，大约在0.8-0.9%左右。
上图是带一台用17寸CRT显示器的电脑时的失真度，应该算是整流性负载，大约在1.14%左右。
三、几点改进建议
从我试用的情况来看，2285的性能还算是非常满意的，它外围电路简单，SPWM精度很高，能让使用者设计出指标绝对OK的逆变器，在我装的二台机器中，没有因为程序出错而死机等现象发生过，性能很可靠。但我还想对张工提几点改进建议，因为我不懂单片机，可能提出的建议不一定正确，请不要见笑：
1.芯片的第12脚是一个去关断前级的IO口，一旦发生过载或短路，12脚就输出一个高电平，去关断前级的PWM（例如SG3525的第10脚），但我想，这个功能可以用外围电路实现，可以在保护电路输出高电平时一同去关闭前级的PWM，这样可以省下一个宝贵的IO口。
2.如果芯片IO口够用的话，最好把“过载”和“短路”这二部分的输入端分开，让程序对这二种情况进行分开处理。例如：用一个带内部AD的IO口，让它采集过载电路过来的电压，因为负载越重，采集到的电压越高，程序就可以在不同负载时做出不同的处理：
如：负载超10%，延时30秒关断SPWM(延时期间先减小SPWM的宽度，并声光报警，下同)
负载超20%，延时20秒关断SPWM
负载超30%，延时10秒关断SPWM
负载超50%，把控制权交给11脚，当短路处理，即先限流，再关闭。
这样做的好处是：过载保护部分的电路会大幅度简化，调试也很简单，只要调一个额定最大功率的基准值就可以了。芯片11脚可以仍保留现在的功能。
3.如果用IO口多一点的芯片，可以多用几个LED，分别来指示过载，短路，欠压，过压等等。
以上建议不一定正确，仅供张工参考，哈哈！
