簡(jiǎn)易帶過(guò)流保護(hù)直流電機(jī)電源設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)易帶過(guò)流保護(hù)直流電機(jī)電源設(shè)計(jì)引言日前，各種直流電源產(chǎn)品充斥著市場(chǎng)，電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。然而， 基于成本的考慮，對(duì)于電源性能要求不是很高的場(chǎng)合，可采用帶有過(guò)流保 護(hù)的集成穩(wěn)壓電路，同樣能滿足產(chǎn)品的要求。過(guò)流保護(hù)電路作為電源電路 中不可缺少的一個(gè)組成部分，根據(jù)其控制方法大致可以分為關(guān)斷方式和限 流方式，而直流電機(jī)電源較宜采用關(guān)斷方式。過(guò)流保護(hù)電路首先要有一個(gè)電流取樣環(huán)節(jié)，常用做法是串聯(lián)一個(gè)小電阻 或者是霍爾元件來(lái)獲得電流信號(hào)。由于霍爾元件體積比較大，價(jià)格昂貴， 因而考慮采用串聯(lián)一個(gè)小電阻的方法。1工作原理帶過(guò)流保護(hù)功能的LM317穩(wěn)壓電路如圖1所示，集成穩(wěn)壓電路一般分 為5部分，即交流降壓電路

2、、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、保護(hù)電路。 交流220V電壓經(jīng)電源變壓器降壓整流得到直流電壓Vin，此電壓通過(guò)濾波 電路輸入到集成穩(wěn)壓器輸入端，在集成穩(wěn)壓器輸出端可得到1.2537V直 流電壓。工作原理圖及各部分電壓波形如圖2所示。LMJ17F卜面分析保護(hù)電路的工作過(guò)程。1.1集成穩(wěn)壓器的保護(hù)為獲得較高的輸出電壓值，LM317穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)端與地之間的電阻R2 值及其壓降往往較大，在R2兩端并接一個(gè)小于10pF的電容C3,可有效 地抑制輸出端的紋波。當(dāng)輸入端或輸出端發(fā)生短路時(shí)，電容C3的放電將在 R1上產(chǎn)生沖擊電壓，會(huì)危及穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓電路，因此需在R1兩端并 二極管D3以保護(hù)穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器的

3、輸出端不加電容亦能工作，由于穩(wěn)壓器在1 ： 1的深度負(fù)反饋 下工作，當(dāng)輸出端負(fù)載為容性的某一值時(shí)，穩(wěn)壓器有可能出現(xiàn)自激現(xiàn)象。 因此，在穩(wěn)壓器的輸入端接入0.1pF的電容C1，輸出端接入1000pF的電 解電容C5,提供足夠的電流供給，同時(shí)可以防止可能發(fā)生的自激振蕩以及 減小高頻噪聲和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí)，C5通過(guò)穩(wěn)壓 器的調(diào)整管放電，C5值較大，則放電時(shí)的沖擊電流很大，電壓會(huì)通過(guò)穩(wěn)壓 器內(nèi)部的輸出品體管放電，可能造成輸出品體管發(fā)射結(jié)反向擊穿。為此， 在穩(wěn)壓器兩端并接二極管D2,輸入端短路時(shí)C5通過(guò)D2放電，保護(hù)穩(wěn)壓 器。1.2過(guò)流保護(hù)過(guò)流保護(hù)電路原理見(jiàn)圖3, R5為取樣小電阻

4、。當(dāng)電源工作時(shí)，穩(wěn)壓器輸 出端輸出正向直流電壓，電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)電流iout 較大(約為額定電流的810倍)，iout流過(guò)小電阻R5,并經(jīng)R4對(duì)C4充電。 通過(guò)設(shè)定R4、C4的值，使充電時(shí)間Y大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間6, V2(9013)處 于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機(jī)發(fā) 生短路或堵轉(zhuǎn)，使電容C4兩端電壓達(dá)到V2的導(dǎo)通電壓，則V2導(dǎo)通，強(qiáng) 制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V。圖3 保護(hù)電路原理圖2電路設(shè)計(jì)在選擇集成穩(wěn)壓器時(shí)，應(yīng)該兼顧性能、使用和價(jià)格幾個(gè)方面。性能指標(biāo) 主要根據(jù)負(fù)載電壓電流的大小、調(diào)整率的高低以及工作穩(wěn)定范圍的寬窄來(lái) 選。LM31

5、7系列由于其輸出電壓可調(diào)，同時(shí)其有較高的穩(wěn)壓精度、較高的 紋波抑制比和較好的輸出電壓溫度特性，而得到了廣泛的應(yīng)用。設(shè)電源的輸出總功率P0，負(fù)載額定電壓U0，則輸出電流額定值為I0=P 0/U0，為了使電路穩(wěn)定運(yùn)行，還需要考慮一定的設(shè)計(jì)余量（一般取10%以 上）。LM317系列穩(wěn)壓器主要參數(shù)如表1所列，根據(jù)計(jì)算出的電流值，選擇 相應(yīng)的穩(wěn)壓器。表I LM3I7家族主要成員型號(hào)名稱極限電流/A輸出電壓/V容許功率/W封裝方式備注LM317LD0. 1 (1. 21. 2 37SO 8表面安接用LM3I7IZ0. 1 0. 21. 2370. 625TO 92(I.M317LJLM3I7LH0. -

6、0. 21, 2372. 0TO 39LM317M0.2-0.41, 2-377.5TO 202LM3170.5 U. 81. 2372, 0TO 39(I.M3I7II)LM3I7T1. 5 2, 21*2372()TO 220LM317K1.5-2. 21. Z3720TO 3LM317HV1J0. 5 - 0. 81, 2 452.0TO 39高輸出電壓LM317MVK1.52.2L 2 - 4520TO 3高輸出電壓2.2整流濾波電路設(shè)計(jì)橋式整流濾波電路要確定整流二極管以及濾波電容值。2.2.1整流二極管的選擇選擇二極管要依據(jù)二極管的反向耐壓VRM和正向電流匠。由于濾波電 容的容量愈大

7、，二極管導(dǎo)通角愈小，通過(guò)二極管脈沖電流的幅度愈大，因 此，整流管的幅值電流必須加以考慮。流過(guò)整流管的平均電流ID=Ii/2, Ii=I R2+I0，IR2=IR1+Iadj知0.01A式中Ii為穩(wěn)壓器的輸入電流，IR1、舊2、Iad j分別為流過(guò)R1、R2，以及調(diào)整端的電流)，則ID=(0.01+I0)/2?？紤]到 電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的23倍。5響v = 2 Ui = - : Ui二極管最大反向電壓I ，式中U2為電源變壓器次級(jí)電壓有效值，Ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓 器LM317穩(wěn)定運(yùn)行，輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在515V范圍， 取

8、Ui-U0=1OV，得 Udmax=1.2Ui=1.2(U0+10)=12+1.2U0。設(shè)計(jì)時(shí)可考慮 一定的余量。2.2.2濾波電容設(shè)計(jì)濾波電解電容C1的選擇原則是：取其放電時(shí)間常數(shù)RLC1大于充電周 期的35倍，其耐壓值Uc必須大于脈動(dòng)電壓峰值。對(duì)于橋式整流電路來(lái) 說(shuō)，脈動(dòng)電壓峰值為2U2, C1的充電周期等于交流電源周期T的一半，即1(： W 3 5)*-式中RL為整流后的等效負(fù)載電阻，而RL=Ui/Ii=(10 +U0)/(0.0l+I0),代入式中即可確定C1值2.3電源變壓器設(shè)計(jì)在串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，確定變壓器的二次電壓很重要。如果為了有富余而 把二次電壓做得較高，就會(huì)增加調(diào)整管的損耗，

9、這樣得相應(yīng)地增大散熱器。 因此，要設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的電源，變壓器的參數(shù)值往往要經(jīng)過(guò)多次調(diào)整。 參考史獻(xiàn)中全面地講解了電源變壓囂設(shè)計(jì)的各個(gè)要點(diǎn)，本文不再贅述。這 里采用近似計(jì)算的方法來(lái)確定U2和12。U2=Ui/1.2=0.83(10+Uo)I2=(1.52)Ii=(1.52)x(0.01+Io)2.4集成穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)為保證穩(wěn)壓器在空載時(shí)也能正常工作.則流過(guò)電阻R1的電流不能太小。一般取 IR1=510mA,故 R1=VREF/IR1=1.25/(510)x10-3=120240Q,式 中VREF為穩(wěn)壓器基準(zhǔn)電壓。而輸出電壓U0與VREF、R1、R2有以下關(guān) 系：Un=VREF+(IR1+Iad

10、j)R2=(1+R2/R1)VREF+IadjR2 (1)調(diào)節(jié)電阻R2，即可改變輸出電壓的大小。由于Iadj很小(只有50pA)， 所以式(1)可寫(xiě)為 Uo=(1+R2/R1)VREF=1.25(1+R2/R1) (2)由式(2)求得 R2=(0.8U0-1)R1。25保護(hù)電路設(shè)計(jì)電路中保護(hù)二極管的選擇比較簡(jiǎn)單，只要能保證滿足反向耐壓和沖擊電 流這兩個(gè)要求就可以了。而R3的作用主要是限制三極管的基級(jí)電流，一般 取12k。下面談?wù)勥^(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。2.5.1啟動(dòng)狀態(tài)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間Y大于啟動(dòng)時(shí)間6, V2不導(dǎo)通，電機(jī)才能 正常啟動(dòng)。由于啟動(dòng)電流很大，一般是額定電流的47倍，可看成不變

11、， 設(shè)為1=510。根據(jù)圖4可知。也=C-I ( + 出II 二+ IK4由于Rj* 有瞄參班.因此n 世企iRj 此時(shí)為一階零狀態(tài)輸入響應(yīng),求解得Ml =（ 1 -廠七）4）設(shè)電容G的電壓到達(dá)0. 7V為充電時(shí)間7, 由式（4）得i-Rs丁=怕算門(mén)海- 0. 7 A 5圖4保護(hù)電路瞬時(shí)短路響應(yīng)2.5.2保護(hù)狀態(tài)設(shè)電機(jī)負(fù)荷在額定狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)電流I0已經(jīng)穩(wěn)定。電機(jī)短路或堵轉(zhuǎn) 后，電流突然增大到短路電流Is，電容C4開(kāi)始充電?？紤]一定的設(shè)計(jì)余量， 取保護(hù)電流設(shè)定值IGIS,式(3)同樣成立此為一階全響應(yīng)方程，初始條件u c4(0+)=I0R5,強(qiáng)制分量 uc4(8)=IGR5,求解得ut A

12、= /(, A% + 地(-在J (6)I設(shè) 陽(yáng)增大到上導(dǎo)通電壓Q. 7V的充電時(shí)間為r則必須小于允許短路時(shí)間L,即了二代1.0(7) U. /要使保護(hù)起作用、必須35大于0 7V .即Rc Q7/K；()2.6散熱設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TjM,當(dāng) TTjM時(shí)穩(wěn)壓器才能正常工作。因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強(qiáng)，結(jié)溫就愈低，它所能承受的 功率也愈大。穩(wěn)壓器的散熱能力取決于它的熱阻給半導(dǎo)體器件加散熱片后 可減小總熱阻。若令R01表示從結(jié)到器件外殼的熱阻，R02表示從器件外 殼到散熱片表面的熱阻，R0A表示從結(jié)到散熱片表面的熱阻，則R0A=R0 1+R02。若令R0d表示散熱片到周

13、圍空氣的熱阻，R0表示加散熱片后結(jié)到 空氣的總熱阻，則R0=R0A+R0d。設(shè)集成穩(wěn)壓器的最高允許結(jié)溫為T(mén)jM， 最高環(huán)境溫度為T(mén)AM，加散熱器后器件的功耗為PD，則有關(guān)系式(9)。(9)P _ 幻MJ，=衍 R + 做(10)器件最大功耗必須滿足PdmWP”,即匾、+引由式(10)得夫總?cè)摺?- R/m求得R0d后，通過(guò)查散熱片等效熱阻與材料厚度和表面積關(guān)系的有關(guān)手 冊(cè).可得到表面積的范圍。表2列出了幾種常用封裝形式的熱阻。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果在交流供電電壓220(11O%)V,輸出額定電壓U0=24V，額定功率P0 =15W，額定電流I0=0.625A,電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間(5=50ms，允許短路時(shí)間ts

14、=5 00ms,保護(hù)電流整定值Ic=2A,最高環(huán)境溫度TAM=+45C的條件下。設(shè) 計(jì)出各電路參數(shù)見(jiàn)表3。表2幾種封裝形式的熱阻國(guó)外封裝形式TO - 220TO -3T0-6fiTO - 39國(guó)產(chǎn)封裝形式S 7F - 2F- 1R -4不加散熱器時(shí)結(jié)到周圍空氣的總熱阻R(T/W)62. 54050210直接與散熱板接觸766.526加散熱器后結(jié)到器件表面的熱阻W)澹導(dǎo)熱硅脂544.5IS加0. 05min厚XV母片5. S4.85.315表3設(shè)計(jì)參數(shù)值名稱穩(wěn)壓器型號(hào)電源變壓器整流二極管濾波電容穩(wěn)壓器電路保護(hù)電路散熱面積廠 一計(jì)算AA = 28. 2V h - 0. 95A：933呻L代1= 24jnl?i = 0. 35ft:七 LM317T (：2 =:(1. 1 liFR時(shí)二 3T： / U參數(shù)值/z=l.27A 1雨= 38.8VU =l3kfl 11:38. 8lift Ci 0.35=240flCl 1000 頭F/60 V-s | kQRy - 2kil實(shí)際 Ui LM317T M = 28VG 0.1/6CIV111i N4007鼠=0, 511選取值 V： 9013/2=1.5AG I0plF/50V