基于CPLD在臭氧电源中的应用

臭氧被喻为“绿色”消毒产品，在国内外得到广泛应用。近年来，臭氧技术作为环保产业的重要组成部分，受到越来越多人的重视。相关产品已从饮用水处理系统拓展到污水处理、空气净化、家庭环境污染防治、医疗保健等领域。  

臭氧发生器供电电源是臭氧发生器的重要组成部分，供电电源的电压、频率和波形是影响臭氧发生器效率的重要因素。发生器的结构、气源和冷却系统确定后，电源系统的性能与品质就成为影响发生器效率的关键。上世纪80年代后，半导体器件的发展使臭氧电源发生质的变化，逆变式电源成为臭氧发生电源的主要形式。在该类电源中，用整流器将工频交流电整流成直流电，经逆变电路转换为单相中高频交变电，再经中高频升压变压器升压至发生器放电所需的电压。与工频供电相比，中频逆变电源具有系统体积小、电源效率高、臭氧产量大、可线性调节范围宽、对电网污染小等优点。  

1 系统硬件设计  

在臭氧发生器供电电源的设计中，由于可控硅SCR在三相整流时产生的换流压降对输出电压平均值和电压波形都会产生严重影响。因此，在电源主回路的设计中采用大功率二极管整流取代SCR整流，使得整流电路输出的电压脉动很小，从而提高电源的稳定性和效率。  


  
由于电源整流部分采用不可控的二极管进行整流，输出电压的调节就不能通过整流部分进行控制。因此，电源输出电压和频率的调节就只能通过逆变部分进行调节，即通过对逆变触发脉冲的占空比和频率的控制从而达到对电源输出电压和频率的调节，以满足设计要求。下面重点讨论如何进行占空比调节、频率调节和软启动时间调节。  


  
1．1 占空比调节单元  

图l为占空比调节电路。该电路是将调节器输出的电压信号作为压控振荡器VCO(Voltage Controlled Oscillator)的输入信号，此信号是一个在0～5 V之间变化的直流电压信号，即INPUT信号，由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从引脚9输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率正比于该控制电压。当VCO控制电压为0 V时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性增大到最高输出频率。VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。VCO振荡频率由CD4046的引脚4直接输出到CPLD处理单元，CPLD内部通过对该脉冲信号的计数来控制逆变触发脉冲的宽度，来调节触发脉冲的占空比。  

1．2软启动时间的调节单元  

图2为软启动时间调节电路。该电路单元是将调节器输出信号作为电压比较器LM339的输入信号，此信号是一个在0～5 V之间变化的直流电压信号(即INPUT信号)。按照设计要求，LM339的引脚6给定电压为1 V，当INPUT信号的电压大于l V时，LM339的引脚l通过上拉电阻输出一个高电平作为启动信号送入CPLD。在CPLD内部通过调节外部的拨段开关控制比较器的输出，从而控制软启动的时间。  


  
1．3频率调节单元  

图3为频率调节电路。通过调节CD4046外接电位器POTll，控制VCO输出脉冲的频率，根据设计要求，该电路将输出一个变化范围在1～6 kHz之间的脉冲信号PLS，将该信号作为CPLD的输入信号。在CPLD内部通过计数延时和占空比设计要求，最终输出一个频率在400～3 000 Hz之间符合占空比要求的逆变触发信号，并可通过POT11调节该信号的频率。  


  
2 系统软件设计  

该系统软件设计是根据系统功能要求而设计的，基于EPM7128的软件程序设计分为：输出脉冲占空比调节、频率调节、软启动时间调节和过压过流报警。开发系统使用VHDL语言进行模块化编程，这样可以提高程序的移植性，缩短开发周期，降低开发成本。而且易于维护系统软件，提高可靠性。图4是输出的两路PWM脉冲仿真波形，其中GCLK是一个基准时钟源，CLKl和CLK2分别是经VCO转换的频率调节和占空比调节信号，SET和SOFT分别是2个外接的4位占空比调节和软启动调节拨段开关。  

3 结束语  

介绍了基于CPLD的臭氧电源控制系统的软硬件设计。数字电路在电源控制系统的应用使得该系统的可靠性增强、功能更加完善，该控制系统只需调节外接的2个拨段开关就可实现对输出脉冲的占空比调节和对软启动时间的控制，从而使电源控制更方便和灵活。通过调试工业现场，该控制系统能完全满足对中频臭氧电源的控制，而且具有抗干扰能力强、稳定性好等优点，具有广泛的应用前景。