CD4046锁相环在感应加热电源中的应用

应用于钎焊、熔炼等热加工工艺的感应加热电源在运行过程中，随着负载温度升高和炉料的熔化，负载等效参数会产生时变，从而引起负载固有谐振频率的变化。为了使逆变器始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，控制电路必须能够实现频率自动跟踪。

本文采用LEM电流传感器、电压比较器和CD4046锁相环对负载电流进行频率跟踪，实现了功率器件的零电流开关（ZCS），减小了开关损耗和电磁干扰（EMI）。由于在电路刚起动时，电流反馈信号为零，CD4046不能入锁。本文提出了一种利用CD4046自身特点实现的它激到自激的转换电路，很好地解决了这一问题。另外，加上相位补偿电路的引入，最终实现了频率自动跟踪控制。整个电路具有跟踪速度快、跟踪频率准确、保护容易、抗干扰能力强等优点。

CD4046锁相环在感应加热电源中的应用----锁相环功能原理

锁相环简称为pLL，主要由3个基本单元构成：相位比较器pD、压控振荡器VCO和外接的R、C无源低通滤波器LpF。CD4046包含前面2个单元，使用时外接低通滤波器，从而形成完整的锁相环。pLL功能框图如图1所示。

施加于相位比较器的有输入信号Vi（t）和压控振荡器的输出信号Vo（t）。相位比较器输出信号Ve（t）正比于Vi（t）和Vo（t）的相位差。Ve（t）经低通滤波器滤去高频成分后得到一个平均电压Vd（t），去控制压控振荡器的频率变化，使输入与输出信号频率之差不断减少，直到这个差值为零时锁定，实现频率跟踪。低通滤波器的时间参数决定了跟随输入信号的速度，同时也限制了pLL的捕捉范围。

CD4046锁相环在感应加热电源中的应用----CD4046锁相环的逻辑结构

从图2中可以看出，CD4046包含了2个相位比较器（鉴相器）、1个压控振荡器以及2个附加部分，即输入信号源极跟随器和稳压管，比较器有2个共同输入信号端（3和14脚），信号输入既可以与大信号直接匹配，又可以间接地通过串联电容接入小信号。自偏置电路可在放大器的线性区域调整小电压信号。

相位比较器1是异或门，产生1个数字信号（2脚），并在信号输入与相位比较器输入信号之间的中心频率处维持90相移（要求输入信号占空比为50%）。

相位比较器2由逻辑门控制的4个边沿触发器和3态输出电路组成，产生数字误差信号（13脚）和相位脉冲输出（1脚），并在信号输入与相位比较器输入信号之间保持严格同步，产生0相移（与占空比无关）。故本文采用相位比较器2。

线性VCO（4脚）产生1个输出信号，其频率与VCO输入的电压以及连接到引出端的电容C值及R1和R2的阻值有关。并且输出频率范围fmin～fmax满足以下公式：

相位脉冲输出端（1脚），用于表示锁定或2个信号之间的相位差。如果相位脉冲端输出高电平，表示处于锁定状态。在信号输入端无信号输入时，压控振荡器被调整在最低频率上。

CD4046锁相环在感应加热电源中的应用----CD4046锁相环的起动入锁

由于电路起动瞬间，电流反馈信号为零，VCO始终在最低频率处振荡，这样就存在起动时不能自动入锁问题。一般采用它激到自激的转换电路来实现起动问题。

如图5所示，电路启动后，随着电容Cs的充电，A点电压由VCC逐渐降低，VCO输出频率从最大值fmax滑向最小值fmin。只要负载的固有谐振频率在fmax至fmin之间，就会引起负载谐振，锁相环进入锁定状态，顺利地启动逆变器。此过程完成后，二极管会导致换流时间太长使占空比损失。一般，Cs的值应取5nF～30nF左右。Cr的值一般应该取得比Cs的值大5～30倍比较合适，以满足VF的零电压关断，并且不使有效占空比变得太少。Lr的值影响VF开通时和整流桥上桥臂两管关断时的电流上升率，应主要根据流过VF管的最大电流的值进行选取，一般选择1～10H。由于V7、V8只在极短的时间内流过电流，故可以选择比较小的管子。

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