UBA2032T全桥驱动芯片在PWM中的应用

摘要：介绍了一种新型的全桥电路驱动芯片UBA2032T，重点阐述了芯片的结构特点、基本原理、应用设计中的接线方法。给出了UBA20321T与C805lF330D高速单片机在PWM设计中的应用。利用仿真实验，验证了使用UBA2032T进行该方案设计的正确性。
关键词： UBA2032T；全桥电路；C805lF330D；PWM

    飞利浦公司推出的UBA2032T高压单片IC，是采用EZ-HVSOI工艺制造的一种新型高压全桥驱动器。UBA2032T在全桥拓扑中通过外部MOSFET可以驱动任何一种负载，尤其适用于驱动高强度的放电灯(HID)或者全桥电路设计。它可以使用内部的振荡器或者利用外部驱动电路对全桥电路的高电压平移控制，为了保证能够产生精确的50％占空比，在振荡器反馈信号输出驱动器之前，振荡器的信号经过2分频后才能通过驱动器。UBA2032T的主要特点如下：
    (1)内置自举二极管和高压电平移位器；
    (2)桥路电压最高可达550 V，并可直接从IC的HV脚输人高压端，为内部电路产生低压，从而无需附加低压电源；
    (3)输入启动延时，能够使用简单的。RC滤波器或者来自驱动器的控制信号产生延迟，振荡器的频率能够调节；
    (4)非交叠时间可以由自适应非交叠电路控制，最小非交叠时间可在内部固定。

1 UBA2032T的引脚结构
UBA2032T采用SO24塑料封装形式，引脚排列如图1所示。

UBA2032T内部集成了电压稳压器、振荡器、输入信号延迟和桥路禁止电路、控制逻辑、高／低压电平移位器、高端左／右驱动器和低端左／右驱动器等电路。该芯片集成度高，为全桥电路的设计带来了方便。

1．1 UBA2032T工作原理
    使用uBA2032T时，HV端输入高压端(0～550 V)，IC内部将在VDD端输出低压(0～14 V)供内部或者外部电路使用，或者直接使用外部提供的低压直接与VDD进行连接。注意，在与外部低压连接时，一定要保证HV与VDD或者SGND相连接。如果VDD或者HV端的电平高于功率驱动电平时，桥路输出电压将由EXTDR引脚上的控制信号来决定，一旦VDD或者HV上的电平降至功率驱动复位电平以下，IC将再次进人启动状态。当管脚HV的电压穿越释放功率驱动电平时，桥路将按照以下方式确定状态换向：
    (1)高端左边和低端右边MOSFET，右边和低端左边MOSFET截止；
    (2)高端左边和低端右边MOSFET，右边和低端左边MOSFET导通。
    在该设计中，就是利用UBA2032T的这一互补导通和强大的驱动能力特性，使用单片机产生一定占空比的PWM信号，对负载进行驱动。
1．2 UBA2032T工作模式
    UBA2032T有3种不同的振荡工作模式：
    (1)内部振荡器模式。在该模式下，HV端为IC芯片进行供电，桥路的振荡频率由外部所接的电阻和电器来决定。如果要实现50％占空比，应该将DD端接SGND使能内部分频器。同时要将EXTDR与+LVS，-LVS和SGND或者VDD。管脚相连接，减少外界对不使用管脚的干扰；
    (2)使用外部振荡器模式。该模式下，管脚RC与SGND连接，这样可以禁止内部振荡器。如果外部信号源连接到EXTDR端时，桥路的振荡频率将由外部的输入信号决定。在使用外部振荡器时，应关闭分频器，所以将DD端接高电平。BD管脚是用来关闭全桥电路中的4个MOSFET，应接高电平使能全桥电路；
    (3)内部分频器和外部振荡器同时使用的模式。在该模式下，管脚RC和DD，SGND相短接。此时全桥输出频率为振荡器频率的1／2，桥路转换则通过EXTDR输入信号的下降沿触发。
1．3 UBA2032T逻辑控制表

PWM应用设计中，UBA2032T选用的是外部振荡器模式。按照表1所示，选择BD接低电平、SU和DD接高电平，这样根据外部输入信号的高低电平变化就能够在GHL，GHR，GLL，GLR管脚输出高低不同的逻辑信号。

2 UBA2032T与C8051F330D在PWM电路
2．1 C8051F330D的优点
    该PWM电路设计中，为了减少对硬件资源的使用和设计方便。使用C8051F330D单片机作为控制器，利用自身的PCA模块产生占空比能够改变的一定频率的低压PWM序列，选用C805lF系列单片机，具有以下优点：
    (1)C805lF系列单片机是与51单片机指令集相互兼容，具有C51所有外设部件，减少了外围电路的设计。单片机内部有高／低振荡器，通过简单设置相关寄存器就能够产生系统时钟，无需外界晶振。系统时钟频率最高可达25 MHz，完全能够满足设计要求；
    (2)内部PCA模块包括一个专用的16位计数器／定时器时间基准和3个可编程的捕捉／比较模块。时间基准的时钟可以是下面的6个时钟源之一：系统时钟／12、系统时钟／4、定时器0溢出、外部时钟输入(ECI)、系统时钟和外部振荡源频率／8。使用PCA功能可以产生8位或者16位PWM序列。不仅序列的占空比根据需要可以改变，而且通过选择不同的时间基准可以改变频率；
    (3)对PCA的特殊功能寄存器进行简单的设置，利用软件编程的方法，在相应的端口输出PWM序列。

2.2 8位脉宽调制方法及PCA设置
    C805lF330D的每个PCA模块都可以被独立地用在对应CEXn的引脚产生脉宽调制(PWM)输出。PWM输出的频率取决于PCA计数器／定时器的时基。使用模块的捕捉／比较寄存器PCAOCPLn改变PWM输出信号的占空比。当PCA计数器／定时器的低字节(PCAOL)与PCAOCPLn中的值相等时，CEXn引脚上的输出被置‘1’；当PCA0L中的计数值溢出时，CEXn输出被复位。
    如果计数器／定时器的低字节PCAOL溢出(从0xFF到Ox00)，保存在PCAOCPLn中的值被自动装入到PCAOCPLn不需软件干预。通过将PCAOCPMn寄存器中的ECOMn和PWM位置‘1’来使能8位脉冲宽度调制器方式。8位PWM方式的占空比由如下方程得到

    注意：当向PCA0的捕捉／比较寄存器写入一个16位数值时，应先写低字节。向PCAOCPLn的写入操作将清‘0’ECOMn位；向PCA0CPLn写入时将置‘1’ECOMn位。8位脉宽调制最大占空比为100％(PCAOCPLn=0)，最小占空比为0．39％(PCAOCPLn=0xFF)。可以通过清‘0’ECOMn位产生0％的占空比。
    设计中只输出一路PWM信号，所以只对PCAMn进行设置。C8051F330D相关寄存器及PCA寄存器的设置如下：
    (1)对于C8051F330D单片机，首先使能交叉开关，并使输出端口设置为上拉，这样才能使产生的．PWM信号能够从相应的端口输出，即XBR0=Ox41；使端口P0.0作为PWM的输出端；
    (2)PCA寄存器设置。要使能PCAOCN中的CR位，设置PCAOMD中的CPS0，CPS1，CPS2位选择PCA的时钟频率，根据要求选择SYSCLK／4分频；
    (3)在PCAOCPM0寄存器中设置为8位。PWM，并令其中断使能，只需更改PCAOCPLn的值，就能够达到改变占空比的目的。
2．3 UAB2032T的工作过程

如图2所示，单片机输出的PWM通过CD40106施密特触发器，首先使输出的PWM序列的上升沿或者下降沿延迟减小。经过整形后的PWM序列送入UBA203T的EXTDR端。由于采用外部振荡器模式，根据逻辑控制表，将DD，SU及+LVS接高电平(UBA2032T的VDD)，使除法器使能禁止，BD接低电平使能全桥电路，HV高压端接100 V。最终使全桥电路的控制只受外部输入的PWM序列控制。当在上升沿到达的时候，GHL和GLR为高电平，GHR和GLL为低电平。导通Q1和Q4的MOSFET，在输出端得到由高到低的脉冲。如果PWM的下降沿到来的时候，GHR和GLL为高电平，GHL和GLR为低电平。这样输出端将输出由低到高的脉冲。如果输入的PWM是连续的，这样在全桥电路的输出端就输出以HV高压端为基准的PWM脉冲序列。如果电路中产生比较大的尖峰脉冲，会在全桥电路中MOSFET栅极产生比较高的瞬态电压或振荡。当MOSFET的栅极直接与UBA2032T的GHR，GHL，GHL，GLR管脚直接耦合，驱动器输出会产生高电压冲击。为了减少这种高电压的冲击，可以在MOSFET上串联一个不小于100 Ω的电阻，并联一个高速二极管。

3 仿真结果
仿真采用NI公司的Multisim仿真软件。使用四综示波器观察仿真波形，如图3所示。