CD4046锁相环在感应加热电源中的应用

应用于钎焊、熔炼等热加工工艺的感应加热电源在运行过程中 ，随着负载温度升高和炉料的熔化 ，负载等效参数会产生时变 ，从而引起负载固有谐振频率的变化。为了使逆变器始终工作在功率因数接近或等于 1 的准谐振或谐振状态 ，控制电路必须能够实现频率自动跟踪。

本文采用 LEM 电流传感器、电压比较器和CD4046 锁相环对负载电流进行频率跟踪 ，实现了功率器件的零电流开关( ZCS) ，减小了开关损耗和电磁干扰( EMI) 。由于在电路刚起动时 ，电流反馈信号为零 ， CD4046 不能入锁。本文提出了一种利用CD4046 自身特点实现的它激到自激的转换电路 ，很好地解决了这一问题。另外 ，加上相位补偿电路的引入 ，最终实现了频率自动跟踪控制。整个电路具有跟踪速度快、跟踪频率准确、保护容易、抗干扰能力强等优点。

CD4046锁相环在感应加热电源中的应用----锁相环功能原理

锁相环简称为 PLL ，主要由 3 个基本单元构成：相位比较器 PD 、压控振荡器 VCO 和外接的 R 、C 无 源低通滤波器 LPF 。CD4046 包含前面 2 个单元 ，使用时外接低通滤波器 ， 从而形成完整的锁相环。PLL 功能框图如图 1 所示。

施加于相位比较器的有输入信号 V i ( t ) 和压控振荡器的输出信号 Vo ( t ) 。相位比较器输出信号V e ( t) 正比于 V i ( t ) 和 Vo ( t ) 的相位差。V e ( t ) 经低通滤波器滤去高频成分后得到一个平均电压V d ( t) ，去控制压控振荡器的频率变化 ，使输入与输出信号频率之差不断减少 ，直到这个差值为零时锁定 ，实现频率跟踪。低通滤波器的时间参数决定了跟随输入信号的速度 ，同时也限制了 PLL 的捕捉范围。

CD4046锁相环在感应加热电源中的应用----CD4046 锁相环的逻辑结构

从图 2 中可以看出 ，CD4046 包含了 2 个相位比较器(鉴相器) 、1 个压控振荡器以及 2 个附加部分 ，即输入信号源极跟随器和稳压管 ，比较器有 2 个共同输入信号端(3 和 14 脚) “，信号输入”既可以与大信号直接匹配 ，又可以间接地通过串联电容接入小信号。自偏置电路可在放大器的线性区域调整小电压信号。

相位比较器 1 是异或门 ，产生 1 个数字信号(2脚) ，并在“信号输入”与“相位比较器输入”信号之间的中心频率处维持 90°相移(要求输入信号占空比为50 %) 。

相位比较器 2 由逻辑门控制的 4 个边沿触发器和 3 态输出电路组成 ，产生数字误差信号(13 脚) 和相位脉冲输出(1 脚) ，并在“信号输入”与“相位比较器输入”信号之间保持严格同步 ，产生 0°相移(与占空比无关) 。故本文采用相位比较器 2 。

线性 VCO (4 脚) 产生 1 个输出信号 ，其频率与VCO 输入的电压以及连接到引出端的电容 C 值及R1 和 R2 的阻值有关。并且输出频率范围 f min～f max满足以下公式：

相位脉冲输出端 (1 脚) ，用于表示锁定或 2 个信号之间的相位差。如果相位脉冲端输出高电平 ，表示处于锁定状态。在信号输入端无信号输入时 ，压控振荡器被调整在最低频率上。

CD4046锁相环在感应加热电源中的应用----CD4046 锁相环的起动入锁

由于电路起动瞬间 ， 电流反馈信号为零 ，VCO始终在最低频率处振荡 ，这样就存在起动时不能自动入锁问题。一般采用它激到自激的转换电路来实现起动问题。

如图 5 所示 ，电路启动后 ，随着电容 Cs 的充电 ， A 点电压由 VCC逐渐降低 ，VCO 输出频率从最大值 f max滑向最小值 f min 。只要负载的固有谐振频率在f max至 f min之间 ，就会引起负载谐振 ，锁相环进入锁定状态 ，顺利地启动逆变器。此过程完成后 ，二极管会导致换流时间太长使占空比损失。一般， Cs 的值应取 5 nF～30 nF 左右。Cr 的值一般应该取得比 Cs的值大 5～30 倍比较合适， 以满足 V F 的零电压关断， 并且不使有效占空比变得太少。L r 的值影响V F开通时和整流桥上桥臂两管关断时的电流上升率，应主要根据流过 V F 管的最大电流的值进行选取，一般选择 1～10 μH。由于 V7 、V8 只在极短的时间内流过电流， 故可以选择比较小的管子。