UBA2032T全橋驅動芯片在PWM中的應用

摘要：介紹了一種新型的全橋電路驅動芯片UBA2032T，重點闡述了芯片的結構特點、基本原理、應用設計中的接線方法。給出了UBA20321T與C805lF330D高速單片機在PWM設計中的應用。利用仿真實驗，驗證了使用UBA2032T進行該方案設計的正確性。
關鍵詞： UBA2032T；全橋電路；C805lF330D；PWM

??? 飛利浦公司推出的UBA2032T高壓單片IC，是采用EZ-HVSOI工藝制造的一種新型高壓全橋驅動器。UBA2032T在全橋拓撲中通過外部MOSFET可以驅動任何一種負載，尤其適用于驅動高強度的放電燈(HID)或者全橋電路設計。它可以使用內部的振蕩器或者利用外部驅動電路對全橋電路的高電壓平移控制，為了保證能夠產生精確的50％占空比，在振蕩器反饋信號輸出驅動器之前，振蕩器的信號經過2分頻后才能通過驅動器。UBA2032T的主要特點如下：
??? (1)內置自舉二極管和高壓電平移位器；
??? (2)橋路電壓最高可達550 V，并可直接從IC的HV腳輸人高壓端，為內部電路產生低壓，從而無需附加低壓電源；
??? (3)輸入啟動延時，能夠使用簡單的。RC濾波器或者來自驅動器的控制信號產生延遲，振蕩器的頻率能夠調節；
??? (4)非交疊時間可以由自適應非交疊電路控制，最小非交疊時間可在內部固定。

1 UBA2032T的引腳結構
??? UBA2032T采用SO24塑料封裝形式，引腳排列如圖1所示。

??? UBA2032T內部集成了電壓穩壓器、振蕩器、輸入信號延遲和橋路禁止電路、控制邏輯、高／低壓電平移位器、高端左／右驅動器和低端左／右驅動器等電路。該芯片集成度高，為全橋電路的設計帶來了方便。

1．1 UBA2032T工作原理
??? 使用uBA2032T時，HV端輸入高壓端(0～550 V)，IC內部將在VDD端輸出低壓(0～14 V)供內部或者外部電路使用，或者直接使用外部提供的低壓直接與VDD進行連接。注意，在與外部低壓連接時，一定要保證HV與VDD或者SGND相連接。如果VDD或者HV端的電平高于功率驅動電平時，橋路輸出電壓將由EXTDR引腳上的控制信號來決定，一旦VDD或者HV上的電平降至功率驅動復位電平以下，IC將再次進人啟動狀態。當管腳HV的電壓穿越釋放功率驅動電平時，橋路將按照以下方式確定狀態換向：
??? (1)高端左邊和低端右邊MOSFET，右邊和低端左邊MOSFET截止；
??? (2)高端左邊和低端右邊MOSFET，右邊和低端左邊MOSFET導通。
??? 在該設計中，就是利用UBA2032T的這一互補導通和強大的驅動能力特性，使用單片機產生一定占空比的PWM信號，對負載進行驅動。
1．2 UBA2032T工作模式
??? UBA2032T有3種不同的振蕩工作模式：
??? (1)內部振蕩器模式。在該模式下，HV端為IC芯片進行供電，橋路的振蕩頻率由外部所接的電阻和電器來決定。如果要實現50％占空比，應該將DD端接SGND使能內部分頻器。同時要將EXTDR與+LVS，-LVS和SGND或者VDD。管腳相連接，減少外界對不使用管腳的干擾；
??? (2)使用外部振蕩器模式。該模式下，管腳RC與SGND連接，這樣可以禁止內部振蕩器。如果外部信號源連接到EXTDR端時，橋路的振蕩頻率將由外部的輸入信號決定。在使用外部振蕩器時，應關閉分頻器，所以將DD端接高電平。BD管腳是用來關閉全橋電路中的4個MOSFET，應接高電平使能全橋電路；
??? (3)內部分頻器和外部振蕩器同時使用的模式。在該模式下，管腳RC和DD，SGND相短接。此時全橋輸出頻率為振蕩器頻率的1／2，橋路轉換則通過EXTDR輸入信號的下降沿觸發。
1．3 UBA2032T邏輯控制表

??? PWM應用設計中，UBA2032T選用的是外部振蕩器模式。按照表1所示，選擇BD接低電平、SU和DD接高電平，這樣根據外部輸入信號的高低電平變化就能夠在GHL，GHR，GLL，GLR管腳輸出高低不同的邏輯信號。

2 UBA2032T與C8051F330D在PWM電路
2．1 C8051F330D的優點
??? 該PWM電路設計中，為了減少對硬件資源的使用和設計方便。使用C8051F330D單片機作為控制器，利用自身的PCA模塊產生占空比能夠改變的一定頻率的低壓PWM序列，選用C805lF系列單片機，具有以下優點：
??? (1)C805lF系列單片機是與51單片機指令集相互兼容，具有C51所有外設部件，減少了外圍電路的設計。單片機內部有高／低振蕩器，通過簡單設置相關寄存器就能夠產生系統時鐘，無需外界晶振。系統時鐘頻率最高可達25 MHz，完全能夠滿足設計要求；
??? (2)內部PCA模塊包括一個專用的16位計數器／定時器時間基準和3個可編程的捕捉／比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的6個時鐘源之一：系統時鐘／12、系統時鐘／4、定時器0溢出、外部時鐘輸入(ECI)、系統時鐘和外部振蕩源頻率／8。使用PCA功能可以產生8位或者16位PWM序列。不僅序列的占空比根據需要可以改變，而且通過選擇不同的時間基準可以改變頻率；
??? (3)對PCA的特殊功能寄存器進行簡單的設置，利用軟件編程的方法，在相應的端口輸出PWM序列。

2.2 8位脈寬調制方法及PCA設置
??? C805lF330D的每個PCA模塊都可以被獨立地用在對應CEXn的引腳產生脈寬調制(PWM)輸出。PWM輸出的頻率取決于PCA計數器／定時器的時基。使用模塊的捕捉／比較寄存器PCAOCPLn改變PWM輸出信號的占空比。當PCA計數器／定時器的低字節(PCAOL)與PCAOCPLn中的值相等時，CEXn引腳上的輸出被置‘1’；當PCA0L中的計數值溢出時，CEXn輸出被復位。
??? 如果計數器／定時器的低字節PCAOL溢出(從0xFF到Ox00)，保存在PCAOCPLn中的值被自動裝入到PCAOCPLn不需軟件干預。通過將PCAOCPMn寄存器中的ECOMn和PWM位置‘1’來使能8位脈沖寬度調制器方式。8位PWM方式的占空比由如下方程得到?
???
??? 注意：當向PCA0的捕捉／比較寄存器寫入一個16位數值時，應先寫低字節。向PCAOCPLn的寫入操作將清‘0’ECOMn位；向PCA0CPLn寫入時將置‘1’ECOMn位。8位脈寬調制最大占空比為100％(PCAOCPLn=0)，最小占空比為0．39％(PCAOCPLn=0xFF)。可以通過清‘0’ECOMn位產生0％的占空比。
??? 設計中只輸出一路PWM信號，所以只對PCAMn進行設置。C8051F330D相關寄存器及PCA寄存器的設置如下：
??? (1)對于C8051F330D單片機，首先使能交叉開關，并使輸出端口設置為上拉，這樣才能使產生的．PWM信號能夠從相應的端口輸出，即XBR0=Ox41；使端口P0.0作為PWM的輸出端；
??? (2)PCA寄存器設置。要使能PCAOCN中的CR位，設置PCAOMD中的CPS0，CPS1，CPS2位選擇PCA的時鐘頻率，根據要求選擇SYSCLK／4分頻；
??? (3)在PCAOCPM0寄存器中設置為8位。PWM，并令其中斷使能，只需更改PCAOCPLn的值，就能夠達到改變占空比的目的。
2．3 UAB2032T的工作過程

?? 如圖2所示，單片機輸出的PWM通過CD40106施密特觸發器，首先使輸出的PWM序列的上升沿或者下降沿延遲減小。經過整形后的PWM序列送入UBA203T的EXTDR端。由于采用外部振蕩器模式，根據邏輯控制表，將DD，SU及+LVS接高電平(UBA2032T的VDD)，使除法器使能禁止，BD接低電平使能全橋電路，HV高壓端接100 V。最終使全橋電路的控制只受外部輸入的PWM序列控制。當在上升沿到達的時候，GHL和GLR為高電平，GHR和GLL為低電平。導通Q1和Q4的MOSFET，在輸出端得到由高到低的脈沖。如果PWM的下降沿到來的時候，GHR和GLL為高電平，GHL和GLR為低電平。這樣輸出端將輸出由低到高的脈沖。如果輸入的PWM是連續的，這樣在全橋電路的輸出端就輸出以HV高壓端為基準的PWM脈沖序列。如果電路中產生比較大的尖峰脈沖，會在全橋電路中MOSFET柵極產生比較高的瞬態電壓或振蕩。當MOSFET的柵極直接與UBA2032T的GHR，GHL，GHL，GLR管腳直接耦合，驅動器輸出會產生高電壓沖擊。為了減少這種高電壓的沖擊，可以在MOSFET上串聯一個不小于100 Ω的電阻，并聯一個高速二極管。

3 仿真結果
??? 仿真采用NI公司的Multisim仿真軟件。使用四綜示波器觀察仿真波形，如圖3所示。

??? 由上往下第1路代表GHL，第2路代表GHR，第3路代表GLL，第4路代表GLR。輸入的PWM頻率為500 Hz，HV端輸入電壓為100 V。通過仿真波
形發現，利用一路PWM序列的信號驅動UBA2032T，能夠產生互補對稱的4路驅動信號。波形比較光滑、規整，發揮了UAB2032T的全橋驅動能力。

4 結束語
??? 由上述UBA2032T工作原理和仿真結果可以得到，采用UBA2032T驅動全橋電路，實現了對于PWM序列的驅動，達到了設計目的。采用C805-1F330D單片機與UBA2032T相結合的方法，簡化了設計，減少對硬件資源的浪費。單片機內部集成的PCA模塊為產生PWM帶來便利。