CPLD在臭氧發(fā)生器供電電源中的應用

臭氧被喻為“綠色”消毒產(chǎn)品，在國內外得到廣泛應用。近年來(lái)，臭氧技術(shù)作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，受到越來(lái)越多人的重視。相關(guān)產(chǎn)品已從飲用水處理系統拓展到污水處理、空氣凈化、家庭環(huán)境污染防治、醫療保健等領(lǐng)域。

臭氧發(fā)生器供電電源是臭氧發(fā)生器的重要組成部分，供電電源的電壓、頻率和波形是影響臭氧發(fā)生器效率的重要因素。發(fā)生器的結構、氣源和冷卻系統確定后，電源系統的性能與品質(zhì)就成為影響發(fā)生器效率的關(guān)鍵。上世紀80年代后，半導體器件的發(fā)展使臭氧電源發(fā)生質(zhì)的變化，逆變式電源成為臭氧發(fā)生電源的主要形式。在該類(lèi)電源中，用整流器將工頻交流電整流成直流電，經(jīng)逆變電路轉換為單相中高頻交變電，再經(jīng)中高頻升壓變壓器升壓至發(fā)生器放電所需的電壓。與工頻供電相比，中頻逆變電源具有系統體積小、電源效率高、臭氧產(chǎn)量大、可線(xiàn)性調節范圍寬、對電網(wǎng)污染小等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統硬件設計

在臭氧發(fā)生器供電電源的設計中，由于可控硅SCR在三相整流時(shí)產(chǎn)生的換流壓降對輸出電壓平均值和電壓波形都會(huì )產(chǎn)生嚴重影響。因此，在電源主回路的設計中采用大功率二極管整流取代SCR整流，使得整流電路輸出的電壓脈動(dòng)很小，從而提高電源的穩定性和效率。

由于電源整流部分采用不可控的二極管進(jìn)行整流，輸出電壓的調節就不能通過(guò)整流部分進(jìn)行控制。因此，電源輸出電壓和頻率的調節就只能通過(guò)逆變部分進(jìn)行調節，即通過(guò)對逆變觸發(fā)脈沖的占空比和頻率的控制從而達到對電源輸出電壓和頻率的調節，以滿(mǎn)足設計要求。下面重點(diǎn)討論如何進(jìn)行占空比調節、頻率調節和軟啟動(dòng)時(shí)間調節。

1.1 占空比調節單元

圖l為占空比調節電路。該電路是將調節器輸出的電壓信號作為壓控振蕩器VCO(Voltage CONtrolled Oscillator)的輸入信號，此信號是一個(gè)在0～5 V之間變化的直流電壓信號，即INPUT信號，由于VCO是一個(gè)電流控制振蕩器，對定時(shí)電容C1的充電電流與從引腳9輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率正比于該控制電壓。當VCO控制電壓為0 V時(shí)，其輸出頻率最低;當輸入控制電壓等于電源電壓VDD時(shí)，輸出頻率則線(xiàn)性增大到最高輸出頻率。VCO振蕩頻率的范圍由R1、R2和C1決定。VCO振蕩頻率由CD4046的引腳4直接輸出到CPLD處理單元，CPLD內部通過(guò)對該脈沖信號的計數來(lái)控制逆變觸發(fā)脈沖的寬度，來(lái)調節觸發(fā)脈沖的占空比。

1.2軟啟動(dòng)時(shí)間的調節單元

圖2為軟啟動(dòng)時(shí)間調節電路。該電路單元是將調節器輸出信號作為電壓比較器LM339的輸入信號，此信號是一個(gè)在0～5 V之間變化的直流電壓信號(即INPUT信號)。按照設計要求，LM339的引腳6給定電壓為1 V，當INPUT信號的電壓大于l V時(shí)，LM339的引腳l通過(guò)上拉電阻輸出一個(gè)高電平作為啟動(dòng)信號送入CPLD。在CPLD內部通過(guò)調節外部的撥段開(kāi)關(guān)控制比較器的輸出，從而控制軟啟動(dòng)的時(shí)間。

1.3頻率調節單元

圖 3為頻率調節電路。通過(guò)調節CD4046外接電位器POTll，控制VCO輸出脈沖的頻率，根據設計要求，該電路將輸出一個(gè)變化范圍在1～6 kHz之間的脈沖信號PLS，將該信號作為CPLD的輸入信號。在CPLD內部通過(guò)計數延時(shí)和占空比設計要求，最終輸出一個(gè)頻率在400～3 000 Hz之間符合占空比要求的逆變觸發(fā)信號，并可通過(guò)POT11調節該信號的頻率。

2 系統軟件設計

該系統軟件設計是根據系統功能要求而設計的，基于EPM7128的軟件程序設計分為：輸出脈沖占空比調節、頻率調節、軟啟動(dòng)時(shí)間調節和過(guò)壓過(guò)流報警。開(kāi)發(fā)系統使用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程，這樣可以提高程序的移植性，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。而且易于維護系統軟件，提高可靠性。圖4是輸出的兩路PWM脈沖仿真波形，其中GCLK是一個(gè)基準時(shí)鐘源，CLKl和CLK2分別是經(jīng)VCO轉換的頻率調節和占空比調節信號，SET和SOFT分別是2個(gè)外接的4位占空比調節和軟啟動(dòng)調節撥段開(kāi)關(guān)。

3 結束語(yǔ)

介紹了基于CPLD的臭氧電源控制系統的軟硬件設計。數字電路在電源控制系統的應用使得該系統的可靠性增強、功能更加完善，該控制系統只需調節外接的2個(gè)撥段開(kāi)關(guān)就可實(shí)現對輸出脈沖的占空比調節和對軟啟動(dòng)時(shí)間的控制，從而使電源控制更方便和靈活。通過(guò)調試工業(yè)現場(chǎng)，該控制系統能完全滿(mǎn)足對中頻臭氧電源的控制，而且具有抗干擾能力強、穩定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應用前景。