低電壓大電流開關(guān)電路電流設(shè)計分析-大電流開關(guān)電源電路圖大全-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-04-17
開關(guān)電源的設(shè)計
開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)主要由7部分組成：輸入整流濾波電路、高頻開關(guān)變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護(hù)電路、輔助電源以及顯示電路。
該設(shè)計的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，輸入市網(wǎng)220 V電壓，通過RC濾波及整流橋整流、全橋逆變、高頻變壓器、輸出整流以實現(xiàn)AC／DC／AC／DC的變換過程，最終得到所需要的15 V直流穩(wěn)壓電源。
低電壓大電流的開關(guān)電源對高頻干擾信號以及上電瞬間的浪涌電流十分敏感，為了保證電路穩(wěn)定工作，消除來自電網(wǎng)的各種干擾，輸入的220 V市電首先經(jīng)RC濾波電路，對尖峰電壓進(jìn)行抑制。高頻濾波后的電壓經(jīng)整流電路整流，得到直流電壓。橋式整流電路后面的濾波電具有充放電作用，濾除整流后的交流成分。
它是開關(guān)電源的重要部分，逆變電路采用全橋變換，由4個IGBT開關(guān)管組成橋的四臂，每個IGBT并聯(lián)1個高速功率二極管，其鉗位作用以減小開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時，變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰，以保護(hù)開關(guān)管不被擊穿。IGBT，絕緣柵雙極型晶體管，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點。開關(guān)管IGBT的柵極接收PWM信號，當(dāng)門極加正壓，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時從P區(qū)注入到N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一的電阻值，使高耐壓的
IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在門極上加負(fù)電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失。PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。T1、T4與，I2、 輪流高頻通斷，將直流電壓變成交流電壓，再經(jīng)高頻隔離變壓器變成所需的隔離輸出交流電壓。此處的高頻變壓器采用鐵基鈮銅納米晶環(huán)形鐵芯高頻變壓器，這種變壓器具有損耗小、漏感低、體積小等特點。
控制電路是開關(guān)電源穩(wěn)定工作的重要保證，選取UC3825作為控制芯片，它由振蕩器、PWM比較器、PWM鎖存器、輸出驅(qū)動器、限流比較器、過流比較器、基準(zhǔn)電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定等組成。UC3825最高開關(guān)頻率可達(dá)到1 MHz，輸出脈沖最大傳輸延
遲時間為50 ns，具有軟啟動控制和欠壓鎖定等功能，應(yīng)用UC3825的功能設(shè)計開關(guān)電源的控制電路，UC3825的2個脈沖輸出端為開關(guān)管IGBT提供PWM驅(qū)動信號，交替輸出脈沖。因此，每個輸出端輸出脈沖的頻率是振蕩器頻率的1／2，振蕩器的頻率為200 kHz，所以輸出PWM脈沖的頻率為100 kHz，輸出脈沖占空比在0％ ～50％以內(nèi)調(diào)整，為了避免橋臂短路，常設(shè)置死區(qū)時間，因此實際應(yīng)用中一般達(dá)不到50％ 。UC3825的4、6、11、14腳的波形如圖2所示，11、14腳波形經(jīng)驅(qū)動電路輸出耦合至IGBT的柵極，控制IGBT的開通和關(guān)斷。開關(guān)管的驅(qū)動電路如圖3所示。
在實際應(yīng)用中，IGBT的驅(qū)動電路對IGBT的工作好壞具有相當(dāng)大的影響，因此，驅(qū)動電路要具有幾點要求：能提供合適的正反向電壓，保證管子可靠的開通和關(guān)斷；動態(tài)驅(qū)動能力強(qiáng)；信號傳輸基本無延時，提高工作速度；當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，IGBT能實現(xiàn)軟關(guān)斷，對管子進(jìn)行過壓、過流保護(hù)。使用的驅(qū)動電路能夠提供+15 V和一15 V的正向和反向電壓，開通和關(guān)斷延時控制在1 s內(nèi)，且具有過壓和短路保護(hù)，另外，具有故障軟關(guān)斷功能。
為了得到穩(wěn)定的輸出，在輸出端進(jìn)行實時采樣。如圖4所示，采樣電流流經(jīng)采樣電阻會產(chǎn)生一個壓降，將該壓降作為反饋信號，輸入到電壓比較器，與給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個差值，通過誤差放大器比較放大后，輸出的差值信號和鋸齒波(或三角波)比較，從而改變輸出脈沖的寬度，當(dāng)輸出大于
考慮到開關(guān)電源的特點和實際的電氣特性，為了使其能在惡劣環(huán)境以及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，在實際的制作中充分利用UC3825的特性，設(shè)計了電壓電流保護(hù)電路以及軟啟動保護(hù)等保護(hù)電路。軟啟動是通過軟啟動(SOFT、START)腳的外接電容實現(xiàn)的。接通電源后，軟啟動腳外接電容放電，該腳處于低電平，誤差放大器輸出低電平，開關(guān)電源無輸出電壓。當(dāng)內(nèi)部電流源給軟啟動腳外接電容充電時，誤差放大器輸出電壓逐漸升高，直到閉環(huán)調(diào)節(jié)功能開始工作，開關(guān)電源輸出電壓逐漸升高到額定值。
一旦限流(ILIM)腳的電平超過1．2 V，故=障鎖存器置位，輸出腳變?yōu)榈碗娖剑煌瑫r，軟啟動腳外接電容以250 txA的電流放電。在軟啟動電容放完電后，限流腳電平降到1．2 V以下時，故障鎖存器就不輸出脈沖。這時，故障鎖存器復(fù)位，芯片開始軟啟動過程。過流保護(hù)和過壓保護(hù)是在主電路中采樣輸入到保護(hù)電路中，對電源起到保護(hù)作用。保護(hù)電路如圖5、圖6所示。
在開關(guān)變換電路和高頻變壓器之間加上一個檢測電流的互感器，將檢測量輸入到UC3825的9腳限流端，當(dāng)檢測到開關(guān)
電流達(dá)到上限電流時，上限電流比較器輸出為高電平，比較器的輸出就是上限電流觸發(fā)器的S端，當(dāng)S為高電平時，觸發(fā)器輸出為高，即觸發(fā)器輸出連接的NPN管子基極變高，NPN管子導(dǎo)通，F(xiàn)B被拉低，從而保護(hù)電路的過流問題。
在主電路輸出端直接實時采樣電壓，與給定電壓比較后，把信號放大，經(jīng)過隔離后輸入到UC3825的2腳，控制PWM信號的占空比，從而控制主電路輸出電壓的變化。過熱保護(hù)是通過檢驗系統(tǒng)中的熱繼電器通斷來具體實現(xiàn)的，當(dāng)開關(guān)電源正常工作時，熱繼電器處于常通狀態(tài)，一旦溫度過熱，超過額定值，熱繼電器開關(guān)會斷開，通斷的信號會反饋到控制電路中，達(dá)到過熱保護(hù)的作用。
以太網(wǎng)接口則是實現(xiàn)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳調(diào)度中心功能 。該設(shè)計采用的嵌入式微處理器是以ARM7TDMI為內(nèi)核的一款16／32位RISC處理器S3C44BOX，該處理器通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，減少了外圍的元器件配置，從而使系統(tǒng)成本大為降低。該系統(tǒng)采用杭州立宇泰公司的開發(fā)板設(shè)計，其主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。
L296大電流開關(guān)電源芯片組成的穩(wěn)壓電源電路圖
L296大電流開關(guān)電源芯片組成的穩(wěn)壓電源電路圖如圖a、b、c所示為由L296單片大電流開關(guān)電源芯片組成的5～15V、4A穩(wěn)壓電源。
L296單片大電流開關(guān)電源芯片特點是：
（1）保護(hù)功能完善。內(nèi)設(shè)有軟啟動、過流、過熱、過壓保護(hù)。
（2）最大輸出電流為4A，功率為160W，輸出電壓在5.1～40V之間可調(diào)。
（3）設(shè)有特殊功能：工作禁止控制、同步控制（在幾片作多路輸出時，保證工作頻率一致）、重置電路（可提供電源工作狀態(tài)的檢測信號）、撬棍過壓保護(hù)電路（當(dāng)輸出電壓超過預(yù)設(shè)額定電壓20％時，產(chǎn)生一個100mA的驅(qū)動信號，用來觸發(fā)外部保護(hù)電路動作）。如圖c所示為電流擴(kuò)展電路形式。
電路如圖所示，該電路可以獲得更大的輸出功率，只需更改部分器件。圖中左邊的電路R1，L1，D1，C1至C7是常規(guī)的共模濾波和整流電路，獲取約300V的直流電壓供DC-DC變換電路使用；最右邊電路L5，C11等是普通的LC濾波電路；IC2，D8，R9，R10組成電壓反饋電路，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定電源輸出電壓；中間部分是DC-DC變換器，降噪聲的關(guān)鍵是對這一部分的電路進(jìn)行適當(dāng)處理。
本文介紹一種型號為L4960的DC-DC變換的開關(guān)電源，如圖所示。從圖中可以看出電路十分簡單，它的使用方法與LM317非常相似，先使用50Hz電源變壓器進(jìn)行AC-AC變換，將~220V降至~34V，然后由VD1和C1整流濾波為46V左右的直流電壓輸入給L4960，再由L4960進(jìn)行DC-DC變換，這時輸出電壓的變化范圍下可調(diào)至5V，上調(diào)至40V，最大輸出電流可達(dá)2.5A（還可以接大功率開關(guān)管進(jìn)行擴(kuò)流），并且內(nèi)設(shè)完善的保護(hù)功能，如過流保護(hù)、過熱保護(hù)等。
盡管L4960的使用方法與LM317差不多，但開關(guān)電源的L4960與線性電源的LM317相比，效率不可同曰而語，L4960最大可輸出100W的功率（Pmax=40V*2.5A=100W），但本身最多只消耗7W，所以散熱器很小，制作容易。與L4960類似的還有L296，其基本參數(shù)與L4960相同，只是最大輸出電流可高達(dá)4A，且具有更多的保護(hù)功能，封裝形式也不一樣。
所示為觸摸延時開關(guān)電源電路。手觸動觸摸片時，相當(dāng)于給VT1基極一個觸發(fā)信號使之導(dǎo)通，于是VI2也導(dǎo)通，電源經(jīng)VT2給電容器cz充電，當(dāng)充電電壓足夠高時，VT2截止，VT3導(dǎo)通，VT4也隨之導(dǎo)通，燈泡發(fā)光、照明。當(dāng)C2上的電荷慢慢放掉后vr3截止。VT4也截止使燈泡熄滅。
觸摸延時開關(guān)電源電路
開關(guān)電源電路圖原理圖如圖所示。雖然穩(wěn)壓精度不高，但能滿足一般要求，且電路簡潔，采用常規(guī)元件，成本極低，輸出允許開路和短路。
開關(guān)電源電路圖
市電經(jīng)D1整流及C1濾波后得到約300V的直流電壓加在變壓器的①腳（L1的上端），同時此電壓經(jīng)R1給V1加上偏置后后使其微微導(dǎo)通，有電流流過L1，同時反饋線圈L2的上端（變壓器的③腳）形成正電壓，此電壓經(jīng)C4、R3反饋給V1，使其更導(dǎo)通，乃至飽和，最后隨反饋電流的減小，V1迅速退出飽和并截止，如此循環(huán)形成振蕩，在次級線圈L3上感應(yīng)出所需的輸出電壓。
L2是反饋線圈，同時也與D4、D3、C3一起組成穩(wěn)壓電路。當(dāng)線圈L3經(jīng)D6整流后在C5上的電壓升高后，同時也表現(xiàn)為L2經(jīng)D4整流后在C3負(fù)極上的電壓更低，當(dāng)?shù)椭良s為穩(wěn)壓管D3（9V）的穩(wěn)壓值時D3導(dǎo)通，使V1有基極短路到地，關(guān)斷V1，最終使輸出電壓降低。電路中R4、D5、V2組成過流保護(hù)電路。
當(dāng)某些原因引起V1的工作電流大太時，R4上產(chǎn)生的電壓互感器經(jīng)D5加至V2基極，V2導(dǎo)通，V1基極電壓下降，使V1電流減小。D3的穩(wěn)壓值理論為9V+0.5~0.7V，在實際應(yīng)用時，若要改變輸出電壓，只要更換不同穩(wěn)壓值的D3即可，穩(wěn)壓值越小，輸出電壓越低，反之則越高。
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