簡易帶過流保護(hù)直流電機電源設(shè)計。

      本文介紹了過流保護(hù)的原理，詳細(xì)介紹了帶過流保護(hù)直流電機電源設(shè)計方法，采用LM317集成穩(wěn)壓器設(shè)計的小功率直流電機電源，電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高，成本低，輸出電壓性能好，有著很好的應(yīng)用前景。 
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。

      下面分析保護(hù)電路的工作過程。 
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R2兩端并接一個小于10μF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0.1μF的電容C1，輸出端接入1000μF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Υ大于電機啟動時間δ，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。

2、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I0=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。
2.2 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。
      （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=IR1+Iadj≈0.01A（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=（0.01+I0）／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，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）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
      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I2。
      U2=Ui/1.2=0.83（10+Uo）
      I2=（1.5～2）Ii=（1.5～2）×（0.01+Io）
      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IR1=5～10mA,故R1=VREF/IR1=1.25/（5～10）×10-3≈120～240Ω,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+Iadj）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50μA），所以式（1）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1～2kΩ。下面談?wù)勥^流保護(hù)電路的設(shè)計。
      （1）啟動狀態(tài)
      電機啟動時必須滿足充電時間Υ大于啟動時間δ，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I=5I0。根據(jù)圖4可知。
      （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I0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?？紤]一定的設(shè)計余量，取保護(hù)電流設(shè)定值IG。

      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)T求得Rθd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I0=0.625A，電機啟動時間δ=50ms，允許短路時間ts=500ms，保護(hù)電流整定值Ic=2A，最高環(huán)境溫度TAM=+45℃的條件下。設(shè)計出各電路參數(shù)見表3。
      按表3的設(shè)計選取參數(shù)組裝完畢后，經(jīng)實驗測定達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：
      輸出特性Un=24V,In=0～1A：
      電壓穩(wěn)定度 Sv≤5×10-6；
      負(fù)載穩(wěn)定度S1≤5×10-5；
      溫度系數(shù)α≤1×10-5/℃。
      電機能正常啟動，當(dāng)電機堵轉(zhuǎn)時，過流保護(hù)正常起作用。
4、結(jié)語
      綜上所述，采用LM317集成穩(wěn)壓器設(shè)計的小功率直流電機電源，電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高，成本低，輸出電壓性能好，有著很好的應(yīng)用前景。

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