逻辑延时环节（DLD）

- - 前言
  - 问题
  - 课件上的DLD
  - 尝试仿真
  - 新问题的出现
  - 结论

前言

最近一个月围绕着三大课设转圈，生活极其无聊烦闷。但在完成课设中偶尔有一些想法想记录一下，不一定对，仅供参考。有空我都会记录一下做课设的一些简单的想法。下面将要介绍的是运动控制系统课设的一个小东西。

问题

相信大家在学运动控制系统中直流脉宽调速系统中，会碰到逻辑延时环节（下称DLD）。这个东西应该会更早的在电力电子的教材里出现。DLD是用于对互补的PWM方波进行微小的延时，防止H桥桥臂直通现象的出现。

H桥所造成直通示意图如下：

当红色箭头给的触发脉冲形式如下时，将会造成两个IGBT同时开通而造成直通现象：

如果施加在同一桥臂的脉冲如上面所示，会发现存在某一时刻两个方波都处于5V高电平，这个时候两个IGBT就会开通。

课件上的DLD

为了解决这个问题，很自然的想法就是如果能在每个方波的上升沿都稍微延迟一点点，就是上升沿有一个很小的死区时间，在这个时间上升沿不跳变，而是等到另一个方波完全跳变为低电平时，才跳变为高电平，这样就可以避免这种现象。

不妨把两个方波命名为1和2，此时方波1为高，方波2为低。过程如下：

方波1跳变为低。
方波2等待方波1跳变为低，再跳变为高。
方波2跳变为低。
方波1等待方波2跳变为低，再跳变为高。
循环。。。

可见，向下跳变的时刻是精确的，而被延时了的是方波的上升沿。

我认为课件上的DLD就是使用这个想法设计的，电路如下：

从上图可见有四路信号，分别经过一个与非门。与非门的两个输入端同时接相同的信号时，相当于对信号取非。原始输入信号为 $u_1$ ，下面是各路信号的过程：

$u_1$ 取非后为 $u'_1$ ，直通到下一个与非门。
$u_1$ 取非后为 $u'_1$ ，若 $u_1'$ 为上升沿处，则需要对经过电阻对电容充电，需要大概2倍时间常数跳变为高电平；若 $u'_1$ 为下降沿，电容经二极管直接放电，会得到很陡的下降沿。
$u_1$ 经过两次非门，出来后还是它本身，然后重复信号1的过程。
重复信号2的过程。

尝试仿真

结合我实际题目的数据试一下用Simulink仿真一波，已知输入的方波为8kHz，仿真电路图如下：

因为输入方波的周期为 $125 μ s$ ，不妨令上升沿的跳变时间为3倍时间常数，令其为 $6 μ s$ ，那么有 $R C = 2 μ s$ , 不妨令 $C = 2 μ F, R = 2 Ω$ 。仿真的时候记得设置一下下面这个地方：

solver类型可选变步长或者定步长，如果针对变步长，最好设置Max step size为比较小的值，而且右边的两个tolerance都设置小一点。若是定步长，则取一个较小的步长，起码得比方波的一个周期小上10~100倍。

仿真结果：

先不说这个波形是否达到互补的要求，首先它的边缘陡度就有问题，按理说阻容的时间常数非常小，而且经二极管放电的回路所需放电时间就更小了，因此无论是上升沿还是下降沿都应该有很好的陡度。我们再看一下电容正极端的电压波形：

很明显，充电时间和放电时间都远远比我们预想的大，必然在充电和放电回路上都存在一个我们忽视了的大电阻。很自然的，我们想到逻辑门的输出阻抗，检查与非门参数发现，其输出电阻为 $25 Ω$ 。

如何解决这一个问题呢？有两个方法，但实际上只有一个。

直接改simulink器件的output resistance，设为0。
电压跟随器降低输出阻抗。

首先，第一个方法看似简单，但实际操作上不可行，逻辑门电路必然存在一定的输出阻抗，除非有技术能把它做得很低。但实际上更常见的方法是使用增加电路的方法降低输出阻抗，比如使用电压跟随器，这个电路作为缓冲电路有高输入阻抗，低输出阻抗的特性，可以把输出阻抗做的很低，我们尝试假如电压跟随器改进。

这时可以改动运放的输出电阻了，电压跟随器的输出电阻可以做的很低：

这个时候我们再查看电容正端的波形：

从这个波形看，我们可以知道我们离成功不远了。

新问题的出现

然而我们以为成功的时候，信心满满地点击输出PWM的示波器，却发现如下结果：

立即发现，这个波形延时的地方不对。我在上面提到过，要延时的是上升沿部分，而精确的是下降沿。但我们发现，这里刚好相反，下降沿反而有一段延时时间，导致正好两个方波都有交叠的地方。

其实大家再次分析我在上面写的信号变化过程，就会发现问题所在。当信号上升沿被延时后，却和未延时的信号作与非操作，出来的信号上升沿被延时的部分反而变成了下降沿的拖尾，这就是出现上面问题的原因。

其实我们只需要做一个很小的改动，不是说与非门引起的问题吗？我们改成与门不就好了？我们立即尝试一下：

果不其然，我们就成功了。不过对死区时间的精确设置，还有待讨论。。。

结论

上面提到的DLD应该是某本老教材给出的实现方式吧，但实际仿真却会存在这样的问题，我认为这个电路可能没有经过实际落地检验的。
不论是单极性PWM还是双极性，只要需要互补方波和H桥的场合都应该考虑直通现象。
如今集成驱动电路，经过查阅资料，如IR2103这种驱动器件，本身自带了死区延时的功能，因此其实并不需要DLD的存在了。
给出我最终的电路实现方式：

逻辑延时环节（DLD）