簡易帶過流保護(hù)直流電機電源設(shè)計

簡易帶過流保護(hù)直流電機電源設(shè)計引言目前，各種直流電源產(chǎn)品充斥著市場，電源技術(shù)已經(jīng)比較成熟。然而，基于成本的考慮，對于電源性能要求不是很高的場合，可采用帶有過流保護(hù)的集成穩(wěn)壓電路，同樣能滿足產(chǎn)品的要求。過流保護(hù)電路作為電源電路中不可缺少的一個組成部分，根據(jù)其控制方法大致可以分為關(guān)斷方式和限流方式，而直流電機電源較宜采用關(guān)斷方式。過流保護(hù)電路首先要有一個電流取樣環(huán)節(jié)，常用做法是串聯(lián)一個小電阻或者是霍爾元件來獲得電流信號。由于霍爾元件體積比較大，價格昂貴，因而考慮采用串聯(lián)一個小電阻的方法。1工作原理帶過流保護(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、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1.25?37V直流電壓。工作原理圖及各部分電壓波形如圖2所示。

圖1帶有保護(hù)的LM3I7穩(wěn)壓電路【械交汛瞅動直菰圖1帶有保護(hù)的LM3I7穩(wěn)壓電路【械交汛瞅動直菰劇2直流穩(wěn)壓孔源方摳圖F面分析保護(hù)電路的工作過程。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，電容C3的放電將在R1上產(chǎn)生沖擊電壓，會危及穩(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，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O.lpF的電容C1，輸出端接入1OOOpF的電解電容C5，提供足夠的電流供給，同時可以防止可能發(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，C5通過穩(wěn)壓器的調(diào)整管放電，C5值較大，則放電時的沖擊電流很大，電壓會通過穩(wěn)壓器內(nèi)部的輸出晶體管放電，可能造成輸出晶體管發(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C5通過D2放電，保護(hù)穩(wěn)壓器。1.2過流保護(hù)過流保護(hù)電路原理見圖3,R5為取樣小電阻。當(dāng)電源工作時，穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機開始啟動。由于直流電機啟動瞬時電流iout較大(約為額定電流的8?10倍)，iout流過小電阻R5,并經(jīng)R4對C4充電。通過設(shè)定R4、C4的值，使充電時間Y大于電機啟動時間6,V2(9013)處于截止?fàn)顟B(tài)，電機啟動到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機發(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，強制穩(wěn)壓器的輸出電壓降為基準(zhǔn)電壓1.25V。

1 ｝樸L」52LWI7TI2電路設(shè)計2?1集成穩(wěn)壓器的選擇在選擇集成穩(wěn)壓器時，應(yīng)該兼顧性能、使用和價格幾個方面。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)定范圍的寬窄來選。LM317系列由于其輸出電壓可調(diào)，同時其有較高的穩(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IO=P0/U0，為了使電路穩(wěn)定運行，還需要考慮一定的設(shè)計余量（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)計算出的電流值，選擇相應(yīng)的穩(wěn)壓器。和腳祥粧瓢員OK/v聃脾4刪島11LO7LDL2仙SOS麺渤0.N0.2MB0.625ra?i(IA1JI7L)0.1-0.2IZ372JTO39UML2刀L5TO202WMmteim)LM3I7TL5V2l.2~?20B)221)LM317K1$221,2^3720TOJWBI71IV1I!,2^45MTO391,24520TH2?2整流濾波電路設(shè)計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IF。由于濾波電容的容量愈大，二極管導(dǎo)通角愈小，通過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。流過整流管的平均電流ID=Ii/2,Ii=IR2+I0，IR2=IRl+Iadja0.01A式中Ii為穩(wěn)壓器的輸入電流，IR1、IR2、Iadj分別為流過R1、R2，以及調(diào)整端的電流)，則ID=(O.O1+IO)/2。考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的2?3倍。二極管最大反向電壓 1-，式中U2為電源變壓器次級電壓有效值，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)定運行，輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在5?15V范圍，取Ui-U0=1OV，得Udmax=1.2Ui=1.2(U0+10)=12+1.2U0。設(shè)計時可考慮一定的余量。2?2?2濾波電容設(shè)計濾波電解電容C1的選擇原則是：取其放電時間常數(shù)RLC1大于充電周期的3?5倍，其耐壓值Uc必須大于脈動電壓峰值。對于橋式整流電路來說，脈動電壓峰值為2U2,C1的充電周期等于交流電源周期T的一半，即' "''-汛：式中RL為整流后的等效負(fù)載電阻，而RL=Ui/li=(10+UO)/(O.OI+IO),代入式中即可確定C1值2?3電源變壓器設(shè)計在串聯(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，就會增加調(diào)整管的損耗，這樣得相應(yīng)地增大散熱器。因此，要設(shè)計出性能優(yōu)良的電源，變壓器的參數(shù)值往往要經(jīng)過多次調(diào)整。參考史獻(xiàn)中全面地講解了電源變壓囂設(shè)計的各個要點，本文不再贅述。這里采用近似計算的方法來確定U2和12。U2=Ui/1.2=0.83(10+Uo)I2=(1.5~2)li=(1.5~2)x(0.01+lo)2.4集成穩(wěn)壓器電路設(shè)計為保證穩(wěn)壓器在空載時也能正常工作.則流過電阻R1的電流不能太小。一般取|R1=5~10mA,故R1=VREF/IR1=1.25/(5~10)x10-3=120~240Q，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+ladj)R2=(1+R2/R1)VREF+ladjR2(1)調(diào)節(jié)電阻R2，即可改變輸出電壓的大小。由于ladj很小(只有50pA)，所以式⑴可寫為Uo=(1+R2/R1)VREF=1.25(1+R2/R1) (2)由式(2)求得R2=(0.8U0-1)R1。

2?5保護(hù)電路設(shè)計電路中保護(hù)二極管的選擇比較簡單，只要能保證滿足反向耐壓和沖擊電流這兩個要求就可以了。而R3的作用主要是限制三極管的基級電流，一般取1?2kQ。下面談?wù)勥^流保護(hù)電路的設(shè)計。2?5?1啟動狀態(tài)電機啟動時必須滿足充電時間Y大于啟動時間6,V2不導(dǎo)通，電機才能正常啟動。由于啟動電流很大，一般是額定電流的4~7倍，可看成不變，設(shè)為1=510。根據(jù)圖4可知。(3)r二|笳+iK4由于乩3甩有注浄伽■因此EI弗卡臨=i7?S此吋為一階零狀態(tài)輸人響應(yīng)，求解得IUrd二（丨-P （4）設(shè)電容C.1的電壓到達(dá)0.7V為充電時間T,由式⑷得T=A,cT=A,c.ln_^_>5(?)04保護(hù)此珞瞬時禺蹲響應(yīng)T2.5.2保護(hù)狀態(tài)設(shè)電機負(fù)荷在額定狀態(tài)下運行，電機電流10已經(jīng)穩(wěn)定。電機短路或堵轉(zhuǎn)后，電流突然增大到短路電流Is,電容C4開始充電。考慮一定的設(shè)計余量,取保護(hù)電流設(shè)定值IGvIS,式（3）同樣成立此為一階全響應(yīng)方程，初始條件uc4（O+）=IOR5,強制分量uc4（8）=IGR5,求解得咖“&卄加Uh禽 （6）毗獻(xiàn)肌7咐鋤厠歸口伽罟呂<（』（7）冊0.7魏低護(hù)歸札必級如I大刊,7V』|1k>0.Hk園2.6散熱設(shè)計穩(wěn)壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結(jié)溫TjM,當(dāng)TvTjM時穩(wěn)壓器

才能正常工作。因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強，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=R01+R02。若令R0d表示散熱片到周圍空氣的熱阻，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TjM,最高環(huán)境溫度為TAM,加散熱器后器件的功耗為PD,則有關(guān)系式(9)。(9)(9)(111)斌1開兒芒氣衛(wèi)譏 (II)求得R0d后，通過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.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實驗結(jié)果在交流供電電壓220(1±10%)V,輸出額定電壓U0=24V,額定功率P0=15W，額定電流IO=O.625A,電機啟動時間(5=50ms，允許短路時間ts=500ms，保護(hù)電流整定值lc=2A,最高環(huán)境溫度TAM=+45°C的條件下。設(shè)計出各電路參數(shù)見表3。LM3I7TS珈LM3I7TS珈FC：=0J|iF=24011 SO?血加個(1fl.060^4.55TO-66MS-7F-2FJH-462J4050210166.526H44.5甘加?恤d転陸5.S4.85,315C,]000時7研瓶Ui醐7T阿 &叮斛研闕墮Vi90U舊用'C.IO|l1750VnumII:|\帥DjnumII:|\帥Dj1N