零電壓開關(guān)溫度／功率控制器UAA1016/UAA2016及其應(yīng)用

摘要：UAA1016/UAA2016是采用零電壓技術(shù)設(shè)計(jì)的、可驅(qū)動(dòng)雙向可控硅的溫度／功率控制器集成電路，通過該芯片可實(shí)現(xiàn)電阻性負(fù)載的無RFI功率調(diào)節(jié)。文中介紹了UAA1016/UAA2016的主要特點(diǎn)、基本原理及應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：UAA1016/UAA2016；零電壓開關(guān)；溫度與功率控制

１ 概述

目前有許多專用集成電路(ＡＳＩＣ)采用了零電壓開關(guān)(ＺＶＳ)技術(shù)，它們通過處于過零模式的三端雙向可控硅開關(guān)元件(Ｔｒｉａｃ)來控制ＡＣ線路上的電阻性負(fù)載。這些電阻性負(fù)載隨處可見，例如電烙鐵、恒溫箱(器)、孵化器、熱清毒器、熱沖壓機(jī)械、射流式烘干器和車窗玻璃除霜器等。

圖1

ＺＶＳ溫度與功率控制器ＡＳＩＣ大多采用雙極工藝制作，并采用８引腳ＤＩＰ或ＳＯ封裝，僅需少量的外部元件便可直接在ＡＣ線路上進(jìn)行操作，而且沒有ＤＣ電流成份流過主線路。此類ＡＳＩＣ有很多品種和型號(hào)，本文僅對(duì)摩托羅拉和安森美公司生產(chǎn)的ＵＡＡ１０１６和ＵＡＡ２０１６兩種芯片作簡(jiǎn)要介紹。

２ ＺＶＳ溫度控制器ＵＡＡ１０１６

ＵＡＡ１０１６采用８引腳塑料ＤＩＰ封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及其外部元件連接如圖１所示。

２．１ 比例溫度控制

ＵＡＡ１０１６通過８腳上的檢測(cè)電阻Ｒｓｙｎｃ在ＡＣ主線電壓跨零時(shí)在６腳輸出一個(gè)負(fù)電流脈沖，以控制Ｔｒａｉｃ。為了使ＡＣ線路上無任何ＤＣ成份，在全波周期期間，ＩＣ內(nèi)部的全波邏輯允許Ｔｒａｉｃ鎖存。ＩＣ腳３上連接的ＮＴＣ熱敏電阻ＲＴ用來感測(cè)溫度。當(dāng)腳３上的電壓高于腳４電壓（Ｖｒｅｆ）時(shí)，器件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖。為了限制頻率，應(yīng)在ＡＣ電路上連接一個(gè)１ｋＷ或１ｋＷ以上的負(fù)載。ＩＣ內(nèi)部的時(shí)基可用于控制比例溫度。事實(shí)上，多數(shù)加熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)都有較高的精度和穩(wěn)定性，而且要求溫度過沖較小，因此不能直接用開／關(guān)（ｏｎ／ｏｆｆ）來調(diào)節(jié)。

２．２ ＵＡＡ１０１６關(guān)鍵電路功能

ａ． 電源

ＵＡＡ１０１６通過５腳外部的降壓電阻?通常為１８ｋΩ／２Ｗ?、二極管?１Ｎ４００５?和１００μＦ的濾波電容直接從ＡＣ線路提取電源，其電流消耗低于１ｍＡ。

ｂ． 比較器

當(dāng)ＩＣ腳３上的電壓Ｖｐｉｎ３高于腳４上的電壓Ｖｐｉｎ４?Ｖｒｅｆ?時(shí)，比較器允許觸發(fā)邏輯為Ｔｒｉａｃ遞交一個(gè)脈沖。為了使非可控溫度范圍?與滯后成比例?減小到最低程度，偏移滯后輸入電壓應(yīng)設(shè)計(jì)得比較小?≤１０ｍＶ?。

比較器反相輸入端?腳４?上的參考電壓Ｖｒｅｆ的平均值可由電阻Ｒ２、Ｒ３和Ｒ４?參見圖１?設(shè)置，迭加在Ｖｒｅｆ上的鋸齒信號(hào)幅度可確定其比例范圍。

當(dāng)溫度傳感器ＲＴ上的溫度高于設(shè)定值時(shí)，由于沒有加熱，溫度將緩慢降低。在重新施加功率之前，Ｖｐｉｎ３－Ｖｐｉｎ４將超過滯后值的５０％。反之，當(dāng)ＲＴ溫度低于設(shè)定值時(shí)，將出現(xiàn)相反的結(jié)果。

ｃ． 鋸齒波發(fā)生器

ＩＣ腳２內(nèi)部７．５μＡ的恒流源可在門限電平ＶＴＨ１和ＶＴＨ２之間對(duì)外部電容Ｃｐｉｎ２進(jìn)行充電來產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波。實(shí)際上，Ｃｐｉｎ２僅在ＡＣ線路的負(fù)半周才發(fā)生充電和放電。ＩＣ腳１上的鋸齒波信號(hào)可作為電壓源，其電壓Ｖｐｉｎ１為Ｖｐｉｎ２－０．７５Ｖ。為保持鋸齒信號(hào)的良好線性寬，推薦使用４０μＡ的源電流。

ｄ． 采樣全波邏輯

為保持最小的噪聲，在ＡＣ線路電壓的正半周，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相鄰的過零脈沖，而在跨零范圍內(nèi)的脈沖產(chǎn)生過程如圖２所示。此時(shí)若ＡＣ線路的電壓頻率是ｆＡＣ?５０／６０Ｈｚ?，電壓有效值為Ｖｒｍｓ?如２２０Ｖ?，那么，圖２中的ｔＰ１和ｔＰ２分別為：

實(shí)際上，脈沖寬度ｔＰ１、ｔＰ２還可通過ＩＣ腳８上的電阻Ｒｓｙｎｃ進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖３所示是輸出脈沖寬度與同步電阻之間的關(guān)系曲線。

ｅ． 同步電路

同步電路通過Ｒｓｙｎｃ檢測(cè)ＡＣ線路的跨零，Ｒｓｙｎｃ的值決定著觸發(fā)脈沖的寬度。所使用的過零電流檢測(cè)帶有２７μＡ～９８μＡ的門限。

ＵＡＡ１０１６中的脈沖放大器可為Ｔｒｉａｃ提供不小于６０ｍＡ的觸發(fā)灌電流。

２．３ ＵＡＡ１０１６的應(yīng)用電路

ＵＡＡ１０１６?Ｂ?在電暖器中的應(yīng)用電路如圖４所示。該電路中的加熱器功率為２ＫＷ，ＲＴ＝２２ｋΩ１０％?＠２５℃?，Ｂ值為３７０，在２５℃下的比例溫度范圍為１℃。

３ ＺＶＳ功率控制器ＵＡＡ２０１６

ＵＡＡ２０１６采用８引腳ＤＩＰ?ＵＡＡ２０１６Ｐ?或ＳＯ?ＵＡＡ２０１６Ｄ?封裝，其引腳排列如圖５所示。

圖６為ＵＡＡ２０１６的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路。ＩＣ電源可通過與降壓電阻ＲＳ相串聯(lián)的高壓整流二極管提供，并通過ＩＣ腳７與腳５之間的電容ＣＦ濾波。電路中調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總電流可分為四部分，即ＩＣ電流、傳感橋路電流、Ｔｒｉａｃ控制極觸發(fā)脈沖和內(nèi)部齊納二極管電流。

連接在ＩＣ腳３與腳１（Ｖｒｅｆ＝－５．５Ｖ）之間的ＮＴＣ熱敏電阻ＲＴ用于檢測(cè)溫度。腳３上的電壓是所測(cè)量溫度的函數(shù)，該電壓要與內(nèi)部控制電壓相比較。而內(nèi)部控制?參考?電壓值則取決于鋸齒電壓、溫度降低及滯后調(diào)節(jié)量的大小。為了節(jié)能，ＵＡＡ２０１６專門設(shè)置了一個(gè)可編程溫度降低端?腳４?，溫度閾值電平由４腳與Ｖｃｃ腳之間的電阻Ｒ１設(shè)置，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)制造商提供的Ｒ１選擇曲線來確定其阻值。當(dāng)腳３上的輸入高于內(nèi)部參考值時(shí)，比較器會(huì)允許觸發(fā)邏輯給Ｔｒｉａｃ的控制極發(fā)送脈沖。為改善抗噪擾能力，該比較器還具有一個(gè)可調(diào)滯后。ＩＣ腳２與腳７?Ｖｃｃ?間的電阻Ｒ３用于設(shè)置比較器的滯后電平。設(shè)置腳２開路可得到一個(gè)１０ｍＶ的滯后電平，相當(dāng)于０．１５℃。把腳２連接到Ｖｃｃ可得到最大滯后，此情況被設(shè)置在５℃上。

為符合歐洲規(guī)范，負(fù)載上的開／關(guān)周期必須超過３０秒。ＵＡＡ２０１６內(nèi)部數(shù)字鋸齒波通過履行比例調(diào)節(jié)來完成此功能，而且無需任何附加元件。

當(dāng)溫度傳感器開路時(shí)，比較器輸入電壓將超過專門設(shè)置的門限電壓，此時(shí)安全電路將禁止脈沖輸出。采樣全波邏輯可保證在每個(gè)ＡＣ線路的正半周產(chǎn)生兩個(gè)相鄰的跨零觸發(fā)脈沖，ＩＣ輸出脈沖寬度?ＴＰ?可由ＩＣ腳８的外部電阻Ｒｓｙｎｃ進(jìn)行調(diào)節(jié)。若負(fù)載功率為ＰＬ，ＡＣ線路電壓為Ｖｒｍｓ，那么，負(fù)載電阻ＲＬ為：

ＲＬ＝Ｖ２ｒｍｓ／ＰＬ

在ＡＣ線路頻率為ｆ?且Ｔｒｉａｃ的最大導(dǎo)通態(tài)電壓為ＶＴＭ時(shí)，負(fù)載電流ＩＬ可通過下面公式計(jì)算：

ＩＬ＝?Ｖｒｍｓ ２１／２ｓｉｎ?２πｆｔ?－ＶＴＭ?／ＲＬ

設(shè)計(jì)人員可根據(jù)負(fù)載參數(shù)和制造商提供的曲線來確定Ｒｓｙｎｃ和ＴＰ值。

ＵＡＡ２０１６從腳６到ＶＥＥ的脈沖放大器灌電流幅值不低于７０ｍＡ，有效輸出電流幅度可由腳６外部輸出電阻Ｒｏｕｔ給出。根據(jù)制造商提供的電阻與Ｔｒｉａｃ控制極電流?ＩＧＴ?之間的關(guān)系曲線可以確定所需的Ｒｏｕｔ值。例如：對(duì)于一個(gè)２ｋＷ負(fù)載和２２０Ｖｒｍｓ線路電壓，若Ｔｒｉａｃ選擇ＭＡＣ２１２Ａ８，則它的最大峰值門極觸發(fā)電流為５０ｍＡ?＠２５℃?時(shí)，Ｒｏｕｔ應(yīng)當(dāng)選擇６０Ω。

圖6

４ 結(jié)束語

ＺＶＳ Ｔｒｉａｃ控制器ＵＡＡ１０１６和ＵＡＡ２０１６可直接在ＡＣ線路上操作。它使用元件少，可實(shí)現(xiàn)電阻性負(fù)載的無ＲＦＩ功率調(diào)節(jié)。這類ＺＶＳ功率和溫度控制器的應(yīng)用非常廣泛，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本也很低。