低電壓大電流開(kāi)關(guān)電路電流設計分析-大電流開(kāi)關(guān)電源電路圖大全-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-04-17
開(kāi)關(guān)電源的設計
開(kāi)關(guān)電源的基本結構主要由7部分組成：輸入整流濾波電路、高頻開(kāi)關(guān)變換器電路、整流輸出電路、控制電路、保護電路、輔助電源以及顯示電路。
該設計的主電路拓撲結構如圖1所示，輸入市網(wǎng)220 V電壓，通過(guò)RC濾波及整流橋整流、全橋逆變、高頻變壓器、輸出整流以實(shí)現AC／DC／AC／DC的變換過(guò)程，最終得到所需要的15 V直流穩壓電源。
低電壓大電流的開(kāi)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，為了保證電路穩定工作，消除來(lái)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(kāi)關(guān)電源的重要部分，逆變電路采用全橋變換，由4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管組成橋的四臂，每個(gè)IGBT并聯(lián)1個(gè)高速功率二極管，其鉗位作用以減小開(kāi)關(guān)管由導通轉換為截止時(shí)，變壓器產(chǎn)生的電壓尖峰，以保護開(kāi)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、熱穩定性好和驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)管IGBT的柵極接收PWM信號，當門(mén)極加正壓，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時(shí)從P區注入到N區進(jìn)行電導調制，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(mén)極上加負電壓時(shí)，MOSFET內的溝道消失。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(diǎn)。
控制電路是開(kāi)關(guān)電源穩定工作的重要保證，選取UC3825作為控制芯片，它由振蕩器、PWM比較器、PWM鎖存器、輸出驅動(dòng)器、限流比較器、過(guò)流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動(dòng)電路、欠壓鎖定等組成。UC3825最高開(kāi)關(guān)頻率可達到1 MHz，輸出脈沖最大傳輸延
遲時(shí)間為50 ns，具有軟啟動(dòng)控制和欠壓鎖定等功能，應用UC3825的功能設計開(kāi)關(guān)電源的控制電路，UC3825的2個(gè)脈沖輸出端為開(kāi)關(guān)管IGBT提供PWM驅動(dòng)信號，交替輸出脈沖。因此，每個(gè)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?xún)日{整，為了避免橋臂短路，常設置死區時(shí)間，因此實(shí)際應用中一般達不到50％ 。UC3825的4、6、11、14腳的波形如圖2所示，11、14腳波形經(jīng)驅動(dòng)電路輸出耦合至IGBT的柵極，控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)電路如圖3所示。
在實(shí)際應用中，IGBT的驅動(dòng)電路對IGBT的工作好壞具有相當大的影響，因此，驅動(dòng)電路要具有幾點(diǎn)要求：能提供合適的正反向電壓，保證管子可靠的開(kāi)通和關(guān)斷；動(dòng)態(tài)驅動(dòng)能力強；信號傳輸基本無(wú)延時(shí)，提高工作速度；當出現異常情況時(shí)，IGBT能實(shí)現軟關(guān)斷，對管子進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流保護。使用的驅動(dòng)電路能夠提供+15 V和一15 V的正向和反向電壓，開(kāi)通和關(guān)斷延時(shí)控制在1 s內，且具有過(guò)壓和短路保護，另外，具有故障軟關(guān)斷功能。
為了得到穩定的輸出，在輸出端進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。如圖4所示，采樣電流流經(jīng)采樣電阻會(huì )產(chǎn)生一個(gè)壓降，將該壓降作為反饋信號，輸入到電壓比較器，與給定的基準電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)差值，通過(guò)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，當輸出大于
考慮到開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)和實(shí)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(shí)際的制作中充分利用UC3825的特性，設計了電壓電流保護電路以及軟啟動(dòng)保護等保護電路。軟啟動(dòng)是通過(guò)軟啟動(dòng)(SOFT、START)腳的外接電容實(shí)現的。接通電源后，軟啟動(dòng)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(kāi)關(guān)電源無(wú)輸出電壓。當內部電流源給軟啟動(dòng)腳外接電容充電時(shí)，誤差放大器輸出電壓逐漸升高，直到閉環(huán)調節功能開(kāi)始工作，開(kāi)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(guò)1．2 V，故=障鎖存器置位，輸出腳變?yōu)榈碗娖?；同時(shí)，軟啟動(dòng)腳外接電容以250 txA的電流放電。在軟啟動(dòng)電容放完電后，限流腳電平降到1．2 V以下時(shí)，故障鎖存器就不輸出脈沖。這時(shí)，故障鎖存器復位，芯片開(kāi)始軟啟動(dòng)過(guò)程。過(guò)流保護和過(guò)壓保護是在主電路中采樣輸入到保護電路中，對電源起到保護作用。保護電路如圖5、圖6所示。
在開(kāi)關(guān)變換電路和高頻變壓器之間加上一個(gè)檢測電流的互感器，將檢測量輸入到UC3825的9腳限流端，當檢測到開(kāi)關(guān)
電流達到上限電流時(shí)，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S為高電平時(shí)，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管子導通，FB被拉低，從而保護電路的過(guò)流問(wèn)題。
在主電路輸出端直接實(shí)時(shí)采樣電壓，與給定電壓比較后，把信號放大，經(jīng)過(guò)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(guò)熱保護是通過(guò)檢驗系統中的熱繼電器通斷來(lái)具體實(shí)現的，當開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)，熱繼電器處于常通狀態(tài)，一旦溫度過(guò)熱，超過(guò)額定值，熱繼電器開(kāi)關(guān)會(huì )斷開(kāi)，通斷的信號會(huì )反饋到控制電路中，達到過(guò)熱保護的作用。
以太網(wǎng)接口則是實(shí)現將數據遠傳調度中心功能 。該設計采用的嵌入式微處理器是以ARM7TDMI為內核的一款16／32位RISC處理器S3C44BOX，該處理器通過(guò)提供全面的、通用的片上外設，減少了外圍的元器件配置，從而使系統成本大為降低。該系統采用杭州立宇泰公司的開(kāi)發(fā)板設計，其主要結構如圖5所示。
L296大電流開(kāi)關(guān)電源芯片組成的穩壓電源電路圖
L296大電流開(kāi)關(guān)電源芯片組成的穩壓電源電路圖如圖a、b、c所示為由L296單片大電流開(kāi)關(guān)電源芯片組成的5～15V、4A穩壓電源。
L296單片大電流開(kāi)關(guān)電源芯片特點(diǎn)是：
（1）保護功能完善。內設有軟啟動(dòng)、過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)壓保護。
（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。
（3）設有特殊功能：工作禁止控制、同步控制（在幾片作多路輸出時(shí)，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(guò)壓保護電路（當輸出電壓超過(guò)預設額定電壓20％時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)100mA的驅動(dòng)信號，用來(lái)觸發(fā)外部保護電路動(dòng)作）。如圖c所示為電流擴展電路形式。
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)結構，穩定電源輸出電壓；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)行適當處理。
本文介紹一種型號為L(cháng)4960的DC-DC變換的開(kāi)關(guān)電源，如圖所示。從圖中可以看出電路十分簡(jiǎn)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(shí)輸出電壓的變化范圍下可調至5V，上調至40V，最大輸出電流可達2.5A（還可以接大功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)行擴流），并且內設完善的保護功能，如過(guò)流保護、過(guò)熱保護等。
盡管L4960的使用方法與LM317差不多，但開(kāi)關(guān)電源的L4960與線(xiàn)性電源的LM317相比，效率不可同曰而語(yǔ)，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(lèi)似的還有L296，其基本參數與L4960相同，只是最大輸出電流可高達4A，且具有更多的保護功能，封裝形式也不一樣。
所示為觸摸延時(shí)開(kāi)關(guān)電源電路。手觸動(dòng)觸摸片時(shí)，相當于給VT1基極一個(gè)觸發(fā)信號使之導通，于是VI2也導通，電源經(jīng)VT2給電容器cz充電，當充電電壓足夠高時(shí)，VT2截止，VT3導通，VT4也隨之導通，燈泡發(fā)光、照明。當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(shí)開(kāi)關(guān)電源電路
開(kāi)關(guān)電源電路圖原理圖如圖所示。雖然穩壓精度不高，但能滿(mǎn)足一般要求，且電路簡(jiǎn)潔，采用常規元件，成本極低，輸出允許開(kāi)路和短路。
開(kāi)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(shí)此電壓經(jīng)R1給V1加上偏置后后使其微微導通，有電流流過(guò)L1，同時(shí)反饋線(xiàn)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(xiàn)圈L3上感應出所需的輸出電壓。
L2是反饋線(xiàn)圈，同時(shí)也與D4、D3、C3一起組成穩壓電路。當線(xiàn)圈L3經(jīng)D6整流后在C5上的電壓升高后，同時(shí)也表現為L(cháng)2經(jīng)D4整流后在C3負極上的電壓更低，當低至約為穩壓管D3（9V）的穩壓值時(shí)D3導通，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(guò)流保護電路。
當某些原因引起V1的工作電流大太時(shí)，R4上產(chǎn)生的電壓互感器經(jīng)D5加至V2基極，V2導通，V1基極電壓下降，使V1電流減小。D3的穩壓值理論為9V+0.5~0.7V，在實(shí)際應用時(shí)，若要改變輸出電壓，只要更換不同穩壓值的D3即可，穩壓值越小，輸出電壓越低，反之則越高。
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