零电压开关温度／功率控制器UAA1016/UAA2016及其应用

摘要：UAA1016/UAA2016是采用零电压技术设计的、可驱动双向可控硅的温度／功率控制器集成电路，通过该芯片可实现电阻性负载的无RFI功率调节。文中介绍了UAA1016/UAA2016的主要特点、基本原理及应用电路。 关键词：UAA1016/UAA2016；零电压开关；温度与功率控制 １ 概述 目前有许多专用集成电路(ＡＳＩＣ)采用了零电压开关(ＺＶＳ)技术，它们通过处于过零模式的三端双向可控硅开关元件(Ｔｒｉａｃ)来控制ＡＣ线路上的电阻性负载。这些电阻性负载随处可见，例如电烙铁、恒温箱(器)、孵化器、热清毒器、热冲压机械、射流式烘干器和车窗玻璃除霜器等。 图1 ＺＶＳ温度与功率控制器ＡＳＩＣ大多采用双极工艺制作，并采用８引脚ＤＩＰ或ＳＯ封装，仅需少量的外部元件便可直接在ＡＣ线路上进行操作，而且没有ＤＣ电流成份流过主线路。此类ＡＳＩＣ有很多品种和型号，本文仅对摩托罗拉和安森美公司生产的ＵＡＡ１０１６和ＵＡＡ２０１６两种芯片作简要介绍。 ２ ＺＶＳ温度控制器ＵＡＡ１０１６ ＵＡＡ１０１６采用８引脚塑料ＤＩＰ封装，内部结构框图及其外部元件连接如图１所示。 ２．１ 比例温度控制 ＵＡＡ１０１６通过８脚上的检测电阻Ｒｓｙｎｃ在ＡＣ主线电压跨零时在６脚输出一个负电流脉冲，以控制Ｔｒａｉｃ。为了使ＡＣ线路上无任何ＤＣ成份，在全波周期期间，ＩＣ内部的全波逻辑允许Ｔｒａｉｃ锁存。ＩＣ脚３上连接的ＮＴＣ热敏电阻ＲＴ用来感测温度。当脚３上的电压高于脚４电压（Ｖｒｅｆ）时，器件会产生一个触发脉冲。为了限制频率，应在ＡＣ电路上连接一个１ｋＷ或１ｋＷ以上的负载。ＩＣ内部的时基可用于控制比例温度。事实上，多数加热调节系统都有较高的精度和稳定性，而且要求温度过冲较小，因此不能直接用开／关（ｏｎ／ｏｆｆ）来调节。 ２．２ ＵＡＡ１０１６关键电路功能 ａ． 电源 ＵＡＡ１０１６通过５脚外部的降压电阻通常为１８ｋΩ／２Ｗ、二极管１Ｎ４００５和１００μＦ的滤波电容直接从ＡＣ线路提取电源，其电流消耗低于１ｍＡ。 ｂ． 比较器 当ＩＣ脚３上的电压Ｖｐｉｎ３高于脚４上的电压Ｖｐｉｎ４Ｖｒｅｆ时，比较器允许触发逻辑为Ｔｒｉａｃ递交一个脉冲。为了使非可控温度范围与滞后成比例减小到最低程度，偏移滞后输入电压应设计得比较小≤%26;#177;１０ｍＶ。 比较器反相输入端脚４上的参考电压Ｖｒｅｆ的平均值可由电阻Ｒ２、Ｒ３和Ｒ４参见图１设置，迭加在Ｖｒｅｆ上的锯齿信号幅度可确定其比例范围。 当温度传感器ＲＴ上的温度高于设定值时，由于没有加热，温度将缓慢降低。在重新施加功率之前，Ｖｐｉｎ３－Ｖｐｉｎ４将超过滞后值的５０％。反之，当ＲＴ温度低于设定值时，将出现相反的结果。 ｃ． 锯齿波发生器 ＩＣ脚２内部７．５μＡ的恒流源可在门限电平ＶＴＨ１和ＶＴＨ２之间对外部电容Ｃｐｉｎ２进行充电来产生一个锯齿波。实际上，Ｃｐｉｎ２仅在ＡＣ线路的负半周才发生充电和放电。ＩＣ脚１上的锯齿波信号可作为电压源，其电压Ｖｐｉｎ１为Ｖｐｉｎ２－０．７５Ｖ。为保持锯齿信号的良好线性宽，推荐使用４０μＡ的源电流。 ｄ． 采样全波逻辑 为保持最小的噪声，在ＡＣ线路电压的正半周，会产生两个相邻的过零脉冲，而在跨零范围内的脉冲产生过程如图２所示。此时若ＡＣ线路的电压频率是ｆＡＣ５０／６０Ｈｚ，电压有效值为Ｖｒｍｓ如２２０Ｖ，那么，图２中的ｔＰ１和ｔＰ２分别为： 实际上，脉冲宽度ｔＰ１、ｔＰ２还可通过ＩＣ脚８上的电阻Ｒｓｙｎｃ进行调节，图３所示是输出脉冲宽度与同步电阻之间的关系曲线。 ｅ． 同步电路 同步电路通过Ｒｓｙｎｃ检测ＡＣ线路的跨零，Ｒｓｙｎｃ的值决定着触发脉冲的宽度。所使用的过零电流检测带有%26;#177;２７μＡ～%26;#177;９８μＡ的门限。 ＵＡＡ１０１６中的脉冲放大器可为Ｔｒｉａｃ提供不小于６０ｍＡ的触发灌电流。 ２．３ ＵＡＡ１０１６的应用电路 ＵＡＡ１０１６Ｂ在电暖器中的应用电路如图４所示。该电路中的加热器功率为２ＫＷ，ＲＴ＝２２ｋΩ%26;#177;１０％＠２５℃，Ｂ值为３７０%26;#176;，在２５℃下的比例温度范围为１℃。 ３ ＺＶＳ功率控制器ＵＡＡ２０１６ ＵＡＡ２０１６采用８引脚ＤＩＰＵＡＡ２０１６Ｐ或ＳＯＵＡＡ２０１６Ｄ封装，其引脚排列如图５所示。 图６为ＵＡＡ２０１６的内部结构及应用电路。ＩＣ电源可通过与降压电阻ＲＳ相串联的高压整流二极管提供，并通过ＩＣ脚７与脚５之间的电容ＣＦ滤波。电路中调节系统的总电流可分为四部分，即ＩＣ电流、传感桥路电流、Ｔｒｉａｃ控制极触发脉冲和内部齐纳二极管电流。 连接在ＩＣ脚３与脚１（Ｖｒｅｆ＝－５．５Ｖ）之间的ＮＴＣ热敏电阻ＲＴ用于检测温度。脚３上的电压是所测量温度的函数，该电压要与内部控制电压相比较。而内部控制参考电压值则取决于锯齿电压、温度降低及滞后调节量的大小。为了节能，ＵＡＡ２０１６专门设置了一个可编程温度降低端脚４，温度阈值电平由４脚与Ｖｃｃ脚之间的电阻Ｒ１设置，设计时可根据制造商提供的Ｒ１选择曲线来确定其阻值。当脚３上的输入高于内部参考值时，比较器会允许触发逻辑给Ｔｒｉａｃ的控制极发送脉冲。为改善抗噪扰能力， 该比较器还具有一个可调滞后。ＩＣ脚２与脚７Ｖｃｃ间的电阻Ｒ３用于设置比较器的滞后电平。设置脚２开路可得到一个１０ｍＶ的滞后电平，相当于０．１５℃。把脚２连接到Ｖｃｃ可得到最大滞后，此情况被设置在５℃上。 为符合欧洲规范，负载上的开／关周期必须超过３０秒。ＵＡＡ２０１６内部数字锯齿波通过履行比例调节来完成此功能，而且无需任何附加元件。 当温度传感器开路时，比较器输入电压将超过专门设置的门限电压，此时安全电路将禁止脉冲输出。采样全波逻辑可保证在每个ＡＣ线路的正半周产生两个相邻的跨零触发脉冲，ＩＣ输出脉冲宽度ＴＰ可由ＩＣ脚８的外部电阻Ｒｓｙｎｃ进行调节。若负载功率为ＰＬ，ＡＣ线路电压为Ｖｒｍｓ，那么，负载电阻ＲＬ为： ＲＬ＝Ｖ２ｒｍｓ／ＰＬ 在ＡＣ线路频率为ｆ且Ｔｒｉａｃ的最大导通态电压为ＶＴＭ时，负载电流ＩＬ可通过下面公式计算： ＩＬ＝Ｖｒｍｓ%26;#183; ２１／２ｓｉｎ２πｆｔ－ＶＴＭ／ＲＬ 设计人员可根据负载参数和制造商提供的曲线来确定Ｒｓｙｎｃ和ＴＰ值。 ＵＡＡ２０１６从脚６到ＶＥＥ的脉冲放大器灌电流幅值不低于７０ｍＡ，有效输出电流幅度可由脚６外部输出电阻Ｒｏｕｔ给出。根据制造商提供的电阻与Ｔｒｉａｃ控制极电流ＩＧＴ之间的关系曲线可以确定所需的Ｒｏｕｔ值。例如：对于一个２ｋＷ负载和２２０Ｖｒｍｓ线路电压，若Ｔｒｉａｃ选择ＭＡＣ２１２Ａ８，则它的最大峰值门极触发电流为５０ｍＡ＠２５℃时，Ｒｏｕｔ应当选择６０Ω。 图6 ４ 结束语 ＺＶＳ Ｔｒｉａｃ控制器ＵＡＡ１０１６和ＵＡＡ２０１６可直接在ＡＣ线路上操作。它使用元件少，可实现电阻性负载的无ＲＦＩ功率调节。这类ＺＶＳ功率和温度控制器的应用非常广泛，而且设计简单，成本也很低。