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MOS管驱动应用电路与開關電源10大工作原理图-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-06-03 

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開關電源,MOS管驅動

開關電源

(一)簡介

開關電源又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。開關電源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而開關電源就进行两者之间电压及电流的转换。


(二)開關電源主要用途

開關電源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通讯设备,视听产品,安防监控,LED灯带,电脑机箱,数码产品和仪器类等领域。


(三)開關電源主要分类

1、微型低功率開關電源

開關電源正在走向大众化,微型化。開關電源将逐步取代变压器在生活中的所有应用,低功率微型開關電源的应用要首先体现在,数显表、智能电表、手机充电器等方面。现阶段国家在大力推广智能电网建设,对电能表的要求大幅提高,開關電源将逐步取代变压器在电能表上面的应用。


2、反转式串联開關電源

反转式串联開關電源与一般串联式開關電源的区别是,这种反转式串联開關電源输出的电压是负电压,正好与一般串联式開關電源输出的正电压极性相反;并且由于储能电感L只在开关K关断时才向负载输出电流,因此,在相同条件下,反转式串联開關電源输出的电流比串联式開關電源输出的电流小一倍。


開關電源工作原理图

下面是開關電源10大工作原理图解析:


(一)整流橋並聯

在小功率設計中,一般很少用到整流橋的並聯,但在某些大功率輸出的情況下,不想增添新的器件單個整流橋電流又不滿足輸入功率要求,就需要用到整流橋的並聯了,整流橋的並聯不能采用兩個整流橋各自整流後直流並聯的方式,也就是不能采用圖1的方式,因爲整流橋沒有配對,單純靠自身的V-I特性,一般是無法均流的,這樣就會造成兩個整流橋發熱不一致。而采用圖2的方式,通常認爲在一個封裝內的兩個二極管是非常匹配的,是可以均分電流的,所以采用圖2的方式就可以實現整流橋的並聯了。


開關電源,MOS管驅動


(二)浮地驅動

在驅動電路設計中,經常會提到MOS管需要浮地驅動,那麽什麽是浮地驅動呢?簡單的說就是MOS管的S極與控制IC的地不是直接相連的,也就是說不是共地的。以我們常用的BUCK電路爲例,如下圖:控制IC的地一般是與輸入電源的地共地的,而MOS管的S極與輸入電源的地之間還有一個二極管,所以控制IC的驅動信號不能直接接到MOS管的柵極,而需要額外的驅動電路或驅動IC,比如變壓器隔離驅動或類似IR2110這樣的帶自舉電路的驅動芯片。


當然還有另外的方式,那就是采用別的方式給控制IC供電,然後將控制IC的地連接到MOS管的S端,這樣就不是浮地了,控制IC的輸出就可以直接驅動MOS管。


開關電源,MOS管驅動


(三)滯環比較器

在保護電路中,爲了防止保護電路在保護點附近來回震蕩,所以一般都增加一定的滯環。


在下圖中,1M電阻就起到滯環的作用,如果沒有1M電阻,很明顯,VF電壓達到2.5V運放輸出低電平,低于2.5V,運放輸出高電平。增加1M電阻後,在運放輸出低電平時,6腳電平爲0.7+(2.5-0.7)*1000/1010=2.48V。當VF低于6腳電平後,7腳輸出高電平(如果運放供電15V,7腳輸出可按照14V計算)可以計算此時6腳電平爲2.5+(14-2.5)*10/1010=2.61V,如果這是一個輸入欠壓保護電路,且VF爲100:1的取樣,則當輸入電壓高于261V,電路正常工作,當電壓低于248V才會欠壓保護,這樣就增強了保護電路的抗幹擾能力。


一般經常用到滯環比較器的地方有:過欠壓保護電路、轉燈電路等


開關電源,MOS管驅動


(四)誤差放大器輸出鉗位電路

設計電源中,無論是恒壓源還是恒流源,只要是閉環控制,總少不了誤差放大器,在進入閉環之前,誤差放大器輸出電壓爲最高值,正常來說,誤差放大器供電一般在15V左右,則誤差放大器的輸出在開環的時候爲14V左右,隨著輸入信號的增加,達到穩壓(穩流)點後,誤差放大器從最高點開始降低直到閉環需要的值,在誤差放大器輸出降低過程中,時間越常自然輸出超調越大電路越不容易進入穩定。


增加一個二極管+穩壓管後,可以在一定程度上改善這個問題,如下圖所示,如果穩壓管是5V的,那麽在開環的時候,誤差放大器輸出被鉗位在6V左右,這樣當進入閉環的時候,誤差放大器輸出就不是從14V開始下降而是從6V左右,降低到閉環需要的電壓值自然需要的時間就短,電路就越容易進入穩定。


大家可以去看看IC內部的誤差放大器輸出,無論IC供電電壓多少伏,誤差放大器輸出電壓的最大值應該都不會是IC供電電壓,而是6V左右吧,不知道是不是也是基于這個原因。


開關電源,MOS管驅動


(五)雙環控制系統的切換

在設計電路中,帶有限流功能的恒壓源及帶有限壓功能的恒流源相信大家都不陌生,很多網友在設計電路的時候,有時候會采用下圖所示電路,一個穩壓環一個穩流環,逐漸增加負載,穩流環輸出低電平進入限流,當負載減小退出限流的時候,穩壓環需要一個切換時間,那麽就出現了兩環路都不工作的一個空白區,在這時間內,電路相當于開環,對電路來說,總歸不是好事。 


但如果第二個電路,就不存在這樣的問題,限流的時候,穩流環拉低穩壓環的基准,在這個過程中,兩個環路都在工作,即使在限流過程中,突然斷開負載,由于穩壓環一直在工作,所以在很短時間內電路就會進入穩定。而不會出現上述電路的空白區。


開關電源,MOS管驅動


(六)漏感的測量

在電源變壓器設計過程中,相信大家都很清楚變壓器的漏感如何測量,很多網友經常在帖子裏提到,我的變壓器電感1mH漏感600uH,如果你也測量到這種情況,那麽最好再確認一下,因爲我們知道漏感儲存的能量是無法傳遞到副邊的,如果你的變壓器參數如上所說,你想想你的變壓器的效率會有多少?還有的網友會納悶,自己繞的變壓器明明漏感測試的不大,爲什麽在應用中會出現那麽大的尖峰?因爲在實際工作中,不僅僅變壓器的漏感在起作用,你的布線電感也在起作用。


正確的測試漏感的方法應該是其余器件先不焊,將變壓器首先焊接在pcb上,然後用粗短線將MOS管,輸出整流二極管短接,將輸出濾波電容短接,從輸入濾波電容測量進去得到的是輸入的漏感。將輸入濾波電容短接,從輸出濾波電容測量進入,得到的是輸出端的漏感,這樣的測試方法考慮了PCB的分布電感,更接近實際的情況。


(七)MOS管的驅動

這個圖是過欠壓、過流保護的電路,分別通過兩個光耦控制驅動信號,正常情況下光耦導通,MOS管導通,出現異常後光耦切斷,MOS管斷開,這個圖至少有兩個明顯的錯誤,大家看看在哪裏。(R6R7爲1k,R25R26爲10k)


開關電源,MOS管驅動


(八)反饋電路中兩個電阻的選擇依據

以384X電路爲例,常用的光藕隔離反饋電路接法有兩種,一種是將2腳接地,光藕4腳接1腳,通過拉低1腳的電平來實現穩壓。


有的人覺得這種方式不合理,會采用下圖的方式,這種方式也是一樣的道理,這裏以下圖爲例說明電阻R5及R6的選擇。


电路中,R7、R8接成比例放大,放大倍数为1,也就是R7=R8,电容C2主要起滤波作用,我一般选择的很小100P。如果电流采样信号在0-1V范围内,电路都正常工作,对应COMP端电压,就是就是1V--4.4V(内部二极管压降认为0.7V,1V为PDF提供的最低工作电压)那么折算到R6上电压应该能在0.6V--4V变化。如果光藕传输比为β,则可以得到下面的式子 4≤R6*(V0-2.5-1.1)*β/R5


也就是說,當光藕原邊流過最大電流的時候,副邊電流在R6上的壓降應不小于4V。至于R5的選擇,我在另一個帖子提到,一般光偶原邊電流控制在5mA即可,這樣就可以選擇R6的值。


開關電源,MOS管驅動


(九)小功率反激類電源的調試

小功率反激类输出电源,对于经常设计的人来说,基本都是空载或轻载直接上电,由于 已经轻车熟路,所以基本不会有什么问题,主要问题在于参数的优化。但对于菜鸟或新手来说,有时候电路原理还不是很明了,想通过动手来加强印象,如果自己做出来的电源直接上电,估计炸机的可能性会超过一半,所以还是循序渐进好一些。


首先,單獨給控制IC供電,看看IC工作是否正常,主要看頻率及MOS管的驅動信號,如果單獨供電,IC都工作不正常的話,你如果直接上電後果是什麽不用說了吧?IC單獨供電正常後,我一般都是找一個帶限流功能的直流輸出電源給自己設計的電源供電,然後空載上電,看輸出電壓是否正常,由于直流輸出電源帶限流功能,所以即使存在問題也是供電電源限流保護,空載輸出電壓正常再逐漸加載。


如果沒有帶限流功能的直流電源,我的意見也不要貿然直接加交流,可以在交流輸入端串聯一個白熾燈做限流功能,然後看空載是否正常,如果正常後再將白熾燈去掉加交流,這樣會安全一些。


(十)交叉調整率是如何産生的


開關電源,MOS管驅動


上面這個圖,如果沒有R及L,就是一個很普通的反激電路輸出整流的兩個繞組,在這裏,R爲變壓器及布線部分的直流阻抗,L爲變壓器繞組的漏感,N1N2就是理想的變壓器繞組了。對于理想的變壓器繞組,繞組電壓正比于匝比,也即是如果5匝繞組輸出5V,那麽10匝繞組輸出就是10V。


如果第一個繞組是穩壓5V輸出的,在空載情況下,繞組基本沒有電流,R1、L1上壓降可以不考慮,二極管壓降爲電流是零時候的壓降值。這個時候N1繞組電壓可以認爲是輸出電壓5V+二極管壓降0.4V。那麽10匝繞組的電壓就是2*(5+0.4)=10.8V,繞組空載的時候,輸出電壓爲10.4V,隨著第二個繞組帶載電流增大,電阻R2及L2上壓降增加,二極管V2壓降也增加,那麽C2上電壓逐漸開始降低,這個電壓的變化爲N2繞組的負載調整率,而不是交叉調整率。


MOS管應用電路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如開關電源和马达驱动,也有照明调光。

現在的MOS驅動,有幾個特別的應用

1、低壓應用

當使用5V電源,這時候如果使用傳統的圖騰柱結構,由于三極管的be有0.7V左右的壓降,導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險。同樣的問題也發生在使用3V或者其他低壓電源的場合。


2、寬電壓應用

輸入電壓並不是一個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅動電壓是不穩定的。


爲了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗。


同時,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會出現輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,引起導通不夠徹底,從而增加功耗。


3、雙電壓應用

在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數字電壓,而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。MOS管驅動電路


這就提出一個要求,需要使用一個電路,讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管,同時高壓側的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。


在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出要求,而很多現成的MOS驅動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。


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