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  • 低電壓大電流開關(guān)電路電流設(shè)計(jì)解析-大電流開關(guān)電源電路圖
    • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-18 18:46:51
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    低電壓大電流開關(guān)電路電流設(shè)計(jì)解析-大電流開關(guān)電源電路圖大全
    大電流開關(guān)電路
    低電壓大電流開關(guān)電路-電流設(shè)計(jì)
    開關(guān)電源的設(shè)計(jì)
    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。
    (一)主電路
    該設(shè)計(jì)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(shí)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。
    大電流開關(guān)電路
    (二)輸入濾波整流(AC/DC)
    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。
    (三)高頻開關(guān)變換器(DC/AC)
    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(gè)IGBT開關(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關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為截止時(shí),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(diǎn),又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(shí),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(diǎn)。
    (四)控制電路
    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(shí)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(jì)開關(guān)電源的控制電路,UC3825的2個(gè)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(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%以內(nèi)調(diào)整,為了避免橋臂短路,常設(shè)置死區(qū)時(shí)間,因此實(shí)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。
    大電流開關(guān)電路
    在實(shí)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(diǎn)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(shí),提高工作速度;當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí),IGBT能實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)采樣。如圖4所示,采樣電流流經(jīng)采樣電阻會產(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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生一個(gè)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
    大電流開關(guān)電路
    (五)保護(hù)電路
    考慮到開關(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(shè)計(jì)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(shí)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(shí),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(shí),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(shí),故障鎖存器就不輸出脈沖。這時(shí),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。
    大電流開關(guān)電路
    在開關(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(dāng)檢測到開關(guān)
    電流達(dá)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(dāng)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(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(shí)時(shí)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(yàn)系統(tǒng)中的熱繼電器通斷來具體實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)開關(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。
    大電流開關(guān)電路
    以太網(wǎng)接口則是實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳調(diào)度中心功能 。該設(shè)計(jì)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(jì),其主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。
    大電流開關(guān)電路
    大電流開關(guān)電路-電源電路圖大全
    大電流開關(guān)電路-電源電路圖大全(一)
    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(diǎn)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(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)、撬棍過壓保護(hù)電路(當(dāng)輸出電壓超過預(yù)設(shè)額定電壓20%時(shí),產(chǎn)生一個(gè)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。
    大電流開關(guān)電路
    大電流開關(guān)電路
    大電流開關(guān)電路-電源電路圖大全(二)
    大電流開關(guān)電路
    大電流開關(guān)電路-電源電路圖大全(三)
    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。
    大電流開關(guān)電路
    大電流開關(guān)電路-電源電路圖大全(四)
    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(shí)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。
    大電流開關(guān)電路
    大電流開關(guān)電路-電源電路圖大全(五)
    所示為觸摸延時(shí)開關(guān)電源電路。手觸動觸摸片時(shí),相當(dāng)于給VT1基極一個(gè)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(shí),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。
    大電流開關(guān)電路
    觸摸延時(shí)開關(guān)電源電路
    大電流開關(guān)電路-電源電路圖大全(六)
    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。
    大電流開關(guān)電路
    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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí),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(shí)際應(yīng)用時(shí),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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