倪云峰，夏 軍，周攀亮

(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710054)

NI Yunfeng*，XIA Jun，ZHOU Panliang

(School of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an，710054，China)

恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源?，F(xiàn)代電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了對(duì)恒流源的需求。例如，大電流高精度恒流源在白光LED照明、蓄電池的快速充電器、電氣觸點(diǎn)電阻測(cè)量、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域有著多方面的應(yīng)用［1］。上述應(yīng)用都對(duì)恒流源有精確、穩(wěn)定、電流連續(xù)可調(diào)等要求。

當(dāng)前的恒流源主要以傳統(tǒng)的線性恒流源為主，線性恒流源的優(yōu)點(diǎn)在于可以保證較高的精度，但是當(dāng)電流較大時(shí)，會(huì)有較大的損耗，從而影響了恒流源的效率。針對(duì)此種狀況，提出了一種基于TL494控制的同步整流的BUCK開關(guān)恒流源。整個(gè)系統(tǒng)由BUCK拓?fù)潆娐罚琓L494主控制器和IR21834驅(qū)動(dòng)芯片組成。實(shí)現(xiàn)了0—20A連續(xù)可調(diào)且具有過壓保護(hù)的大電流、高精度恒流源。

1 基本原理

電路采用了單端式高頻變換器PWM集成開并電源技術(shù)，電路由橋式整流濾波、高頻變換器、整流濾波、取樣電路、脈寬調(diào)制器、及輔助電源組成，如圖1。

圖1 恒流源電路框圖

市電經(jīng)過變壓器降壓、整流濾波后，形成了直流電壓。BUCK變換器的高頻功率開關(guān)管將直流電壓斬成高頻脈沖方波。然后再經(jīng)整流濾波，可得到輸出電流。串聯(lián)在回路中的采樣電阻對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，采樣信號(hào)送至調(diào)制器的比較端與基準(zhǔn)信號(hào)不斷進(jìn)行比較、放大，使調(diào)制器產(chǎn)生一個(gè)隨采樣信號(hào)變化的PWM，調(diào)節(jié)高頻開關(guān)管的占空比D從而輸出所需電流。輸出電流Io與占空比D之間的關(guān)系如式(1)所示。

其中Ii為市電經(jīng)過整流之后的直流輸入電流。

對(duì)輸出電流進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償校正．使輸出電流在負(fù)載范圍內(nèi)可以恒定到預(yù)定的電流值，同時(shí)經(jīng)過分壓采樣電阻采樣輸出電壓，當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，輸出電壓超過預(yù)定的10 V電壓時(shí)，主控制芯片關(guān)斷主開關(guān)管，輸出電壓穩(wěn)到10 V，達(dá)到電源過壓保護(hù)的目的。

2 電路分析

整個(gè)電路系統(tǒng)由BUCK拓?fù)渲麟娐?、脈寬調(diào)制電路、自舉驅(qū)動(dòng)電路三部分構(gòu)成。電路原理圖如圖2所示。

圖2 恒流源電路原理圖

2．1 BUCK拓?fù)渲麟娐?/h3>

主拓?fù)銪UCK電路如圖3所示，輸入Vin為20 V～25 V直流電壓，輸出電流Io為0～20 A連續(xù)可調(diào)直流電流，輸出電壓為10 V的過壓保護(hù)。

圖3 BUCK主電路原理圖

2．1．1 采樣電阻的選取

當(dāng)輸出電流增大時(shí)，采樣電阻Rs會(huì)持續(xù)發(fā)熱，電流越大，取樣電阻發(fā)熱越嚴(yán)重，溫漂亦越大，對(duì)采樣的精確性有很大的影響。因此如何降低取樣電阻發(fā)熱是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題。本設(shè)計(jì)中采用康銅絲作為采樣電阻，康銅絲阻值大約0．01Ω，可以很好地抑制溫漂，而且采樣精度靈敏。

2．1．2 同步整流

由于輸出電流較大，最大可達(dá)20 A，故需要選擇耐壓和耐流較大的功率開關(guān)管，續(xù)流二極管選為肖特基二極管，很難承受10 A以上的大電流，故需用同步整流管取代肖特基二極管續(xù)流，實(shí)現(xiàn)同步整流。主功率開關(guān)管VQ1選為IRF3205，其開關(guān)兩端最大承受電壓 VDSS=55 V，導(dǎo)通電阻 RDS(on)=8．0 mΩ，流過的最大電流IDS=110 A。采用同步整流，可以進(jìn)一步降低功耗，加快開關(guān)的開關(guān)速度。

2．1．3 RCD 緩沖電路

由文獻(xiàn)［3］與文獻(xiàn)［4］可知，主開關(guān)管VQ1的電壓尖峰主要由同步整流管的體二極管VD和寄生電感L1、L2共同作用產(chǎn)生，如圖4所示為同步整流管電壓尖峰產(chǎn)生的等效原理圖。當(dāng)VQ2柵極關(guān)斷之后，進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，主開關(guān)VQ1還未開通，電感L的電流全部流過體二極管VD。而當(dāng)VQ1導(dǎo)通后，正在導(dǎo)通的VD突然被加上反向電壓，在SW到GND之間會(huì)瞬間產(chǎn)生一個(gè)很大的反向電流，通過寄生電感L2就能產(chǎn)生很高的L2電壓尖峰，之后寄生電感L1、L2又會(huì)與VQ2的等效電容C2形成LC諧振，從而可能產(chǎn)生更大的電壓尖峰。

圖4 電壓尖峰產(chǎn)生的等效原理圖

2．2 脈寬調(diào)制電路

脈寬調(diào)制電路以TL494為主控制芯片及外圍元器件組成，如圖7所示。核心元件TL494是雙端輸出式的脈沖寬度調(diào)制器，它包括輸出5 V的基準(zhǔn)源、誤差放大器、電壓比較器PWM、觸發(fā)器、兩個(gè)或非門、兩只輸出推動(dòng)管。它的功能方框圖如圖8所示。

2．2．1 頻率設(shè)置

調(diào)制器的工作頻率由TL494的管腳“6”和“5”外接電阻RT和電容CT決定，滿足式(2):

電壓尖峰對(duì)開關(guān)管VQ1和VQ2影響極大，它會(huì)使開關(guān)損耗增大，影響整機(jī)效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒壞開關(guān)管，因此必須消除。本設(shè)計(jì)中，采用RCD緩沖電路吸收電壓尖峰，如圖5所示。

圖5 RCD緩沖電路

當(dāng) VQ1剛導(dǎo)通，VQ2剛關(guān)斷時(shí)，L2、C2、VD2、GND形成一個(gè)續(xù)流回路，對(duì)電容C2充電;

當(dāng) VQ1關(guān)斷，VQ2導(dǎo)通時(shí)，C2，VQ2，R2形成一個(gè)放電回路，存儲(chǔ)在電容中的尖峰能量在電阻R2上消耗掉。R2為2 W的功率電阻，VD2為超快恢復(fù)二極管。

通過使用RCD緩沖電路，功率開關(guān)管的電壓尖峰可得到明顯改善，通過示波器測(cè)得的BUCK變換器的SW點(diǎn)的波形，如圖6所示。

2．2．2 輸出電流調(diào)制原理

TL494的管腳“2”接電位器，可實(shí)現(xiàn)電壓基準(zhǔn)可調(diào)，輸出電流經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，與基準(zhǔn)電壓分別接入調(diào)制器的管腳“1”、“2”，經(jīng)誤差放大器放大后輸出控制電壓接到脈寬調(diào)制器PWM的反相端。D觸發(fā)器輸出為兩個(gè)相差為180°的方波脈沖，分別送至兩個(gè)“或非”門輸入端，接入到兩個(gè)晶體管的基極，晶體管的射級(jí)輸出的脈沖電壓。為了使調(diào)制器的輸出電流增大，將管腳“9”和“10”兩輸出端并接起來，這樣可提供較大的驅(qū)動(dòng)電流。輸出作為IR21834的輸入，經(jīng)過自舉輸出兩路反相的PWM方波。

圖7 脈寬調(diào)制電路

圖6 SW的波形

圖8 TL494的功能方框圖

2．2．3 過壓保護(hù)

經(jīng)過分壓采樣電阻的電壓信號(hào)接至TL494的“16”腳，當(dāng)輸出采樣電壓高于管腳“15”設(shè)定的基準(zhǔn)電壓時(shí)，兩個(gè)“或非”門輸出低電平，兩個(gè)晶體管Q1和Q2射極輸出低電平，所以主開關(guān)管VQ1關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了電流源的過壓保護(hù)。

2．3 自舉驅(qū)動(dòng)電路

由于BUCK電路的結(jié)構(gòu)比較特殊，主開關(guān)管VQ1的源極S沒有接地，如圖9所示。此時(shí)，不能采用在柵極上直接加TTL邏輯電平來控制，驅(qū)動(dòng)功率MOS管，必須要保證柵源之間的電壓VGS在10 V～18 V之間。因此需要一個(gè)自舉電路輸出一個(gè)VGS=15 V的浮地脈沖方波。同時(shí)要完成BUCK電路的同步整流，需要另外一個(gè)對(duì)地脈沖方波驅(qū)動(dòng)同步整流管。

因此選擇帶有自舉功能且能夠輸出兩路反相的PWM的芯片IR21834，IR21834芯片及外圍電路如圖10所示。此芯片能夠同時(shí)輸出兩路具有一定死區(qū)時(shí)間且相位相反的兩路PWM脈沖方波，如圖11所示為示波器測(cè)得的IR21834芯片的兩路輸出波形。

圖9 BUCK電路的主開關(guān)管與同步整流管

圖10 IR21834自舉電路

HIN和為邏輯輸入電平，接TL494的輸出。VCC與VB之間的二極管VD為超快恢復(fù)二極管，其反向耐壓要大于600 V。VB與VS之間接一個(gè)自舉電容C，一般選擇高穩(wěn)定、低串聯(lián)電感、高頻率特性的鉭電容。HO輸出端接主功率開關(guān)管VQ1的柵極G，VS接VQ1的源極S，LO端接同步整流管VQ2的柵極G。IR21834的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理如圖12所示。

圖11 IR21834的兩路輸出脈沖方波

采用上述電路，設(shè)計(jì)了一款輸出為0～20 A電流連續(xù)可調(diào)且具有過壓保護(hù)的開關(guān)恒流源，通過對(duì)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明:本文中所設(shè)計(jì)的恒流源的輸出電流連續(xù)可調(diào)范圍較大，并且具有較高的恒流精度。與傳統(tǒng)的電路相比較，在相同的功能下，電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可靠性高，而且效率一般可以達(dá)到80%以上。因此，本文中所設(shè)計(jì)的BUCK開關(guān)恒流源在工程上具有一定的參考價(jià)值。

圖12

當(dāng)IR21834的HIN輸入為邏輯高電平時(shí)，IR21834的MOS管Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，VB端電壓等于HO端的電壓，VB與VS間有鉭電容，鉭電容的電壓為15 V。如此，HO與VS之間有15 V的壓差，能夠使得主開關(guān)管VQ1的柵源之間的高電平電壓VGS=15 V，從而可以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管VQ1。當(dāng)IR21834的HIN輸入為邏輯低電平，MOS管Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，HO與VS之間的電壓為零，VQ1的柵源之間的低電平電壓VGS=0，開關(guān)管VQ1關(guān)斷。當(dāng)IR21834的輸入為邏輯高電平時(shí)，MOS管Q3導(dǎo)通，Q4關(guān)斷，LO端電壓為VCC。當(dāng)IR21834的輸入為邏輯低電平時(shí)，MOS管Q3關(guān)斷，Q4導(dǎo)通，LO端電壓為0。

3 結(jié)論與測(cè)試

本設(shè)計(jì)的恒流源可以輸出0～20 A連續(xù)可調(diào)的直流電流，最大輸出電壓為10 V，當(dāng)輸出電壓高于10 V時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，輸出電壓恒定到10 V，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。經(jīng)測(cè)試，在不同的負(fù)載條件下，恒流源的實(shí)際輸出電流如表1所示。

表1 不同負(fù)載條件下恒流源的輸出電流 單位:A

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