簡(jiǎn)易帶過(guò)流保護直流電機電源設計。

      本文介紹了過(guò)流保護的原理，詳細介紹了帶過(guò)流保護直流電機電源設計方法，采用LM317集成穩壓器設計的小功率直流電機電源，電路結構簡(jiǎn)單，效率高，成本低，輸出電壓性能好，有著(zhù)很好的應用前景。 
引言
      目前，各種直流電源產(chǎn)品充斥著(zhù)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)流保護的集成穩壓電路，同樣能滿(mǎn)足產(chǎn)品的要求。
      過(guò)流保護電路作為電源電路中不可缺少的一個(gè)組成部分，根據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(guò)流保護電路首先要有一個(gè)電流取樣環(huán)節，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。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)流保護功能的LM317穩壓電路如圖1所示，集成穩壓電路一般分為5部分，即交流降壓電路、整流電路、濾波電路、穩壓電路、保護電路。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壓器輸入端，在集成穩壓器輸出端可得到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。

      下面分析保護電路的工作過(guò)程。 
1.1 集成穩壓器的保護
      為獲得較高的輸出電壓值，LM317穩壓器的調節端與地之間的電阻R2值及其壓降往往較大，在R2兩端并接一個(gè)小于10μF的電容C3，可有效地抑制輸出端的紋波。當輸入端或輸出端發(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 )危及穩壓器的基準電壓電路，因此需在R1兩端并二極管D3以保護穩壓器。
      穩壓器的輸出端不加電容亦能工作，由于穩壓器在1∶1的深度負反饋下工作，當輸出端負載為容性的某一值時(shí)，穩壓器有可能出現自激現象。因此，在穩壓器的輸入端接入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(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載的瞬態(tài)響應。當輸入端發(fā)生短路時(shí)，C5通過(guò)穩壓器的調整管放電，C5值較大，則放電時(shí)的沖擊電流很大，電壓會(huì )通過(guò)穩壓器內部的輸出晶體管放電，可能造成輸出晶體管發(fā)射結反向擊穿。為此，在穩壓器兩端并接二極管D2，輸入端短路時(shí)C5通過(guò)D2放電，保護穩壓器。
1.2 過(guò)流保護
      過(guò)流保護電路原理見(jiàn)圖3，R5為取樣小電阻。當電源工作時(shí)，穩壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機開(kāi)始啟動(dòng)。由于直流電機啟動(dòng)瞬時(shí)電流iout較大（約為額定電流的8～10倍），iout流過(guò)小電阻R5，并經(jīng)R4對C4充電。通過(guò)設定R4、C4的值，使充電時(shí)間Υ大于電機啟動(dòng)時(shí)間δ，V2（9013）處于截止狀態(tài)，電機啟動(dòng)到穩定狀態(tài)后，電流恢復到工作電流。一旦電機發(fā)生短路或堵轉，使電容C4兩端電壓達到V2的導通電壓，則V2導通，強制穩壓器的輸出電壓降為基準電壓1.25V。

2、電路設計
2.1 集成穩壓器的選擇
      在選擇集成穩壓器時(shí)，應該兼顧性能、使用和價(jià)格幾個(gè)方面。性能指標主要根據負載電壓電流的大小、調整率的高低以及工作穩定范圍的寬窄來(lái)選。LM317系列由于其輸出電壓可調，同時(shí)其有較高的穩壓精度、較高的紋波抑制比和較好的輸出電壓溫度特性，而得到了廣泛的應用。
      設電源的輸出總功率P0，負載額定電壓U0，則輸出電流額定值為I0=P0/U0，為了使電路穩定運行，還需要考慮一定的設計余量（一般取10%以上）。LM317系列穩壓器主要參數如表1所列，根據計算出的電流值，選擇相應的穩壓器。
2.2 整流濾波電路設計
      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=IR2+I0，IR2=IR1+Iadj≈0.01A（式中Ii為穩壓器的輸入電流，IR1、IR2、Iadj分別為流過(guò)R1、R2，以及調整端的電流），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（即穩壓器輸入電壓）。為了保證穩壓器LM317穩定運行，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。設計時(shí)可考慮一定的余量。
      （2）濾波電容設計
      濾波電解電容C1的選擇原則是：取其放電時(shí)間常數RLC1大于充電周期的3～5倍，其耐壓值Uc必須大于脈動(dòng)電壓峰值。對于橋式整流電路來(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，即式中RL為整流后的等效負載電阻，而RL=Ui/Ii=（10+U0）/（0.0l+I0），代入式中即可確定C1值。 2.3 電源變壓器設計
      在串聯(lián)穩壓電路中，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 )增加調整管的損耗，這樣得相應地增大散熱器。因此，要設計出性能優(yōu)良的電源，變壓器的參數值往往要經(jīng)過(guò)多次調整。參考史獻中全面地講解了電源變壓囂設計的各個(gè)要點(diǎn)，本文不再贅述。這里采用近似計算的方法來(lái)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 集成穩壓器電路設計
      為保證穩壓器在空載時(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=5～10mA,故R1=VREF/IR1=1.25/（5～10）×10-3≈120～240Ω,式中VREF為穩壓器基準電壓。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）調節電阻R2，即可改變輸出電壓的大小。由于Iadj很?。ㄖ挥?0μA），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。
      2.5 保護電路設計
      電路中保護二極管的選擇比較簡(jiǎn)單，只要能保證滿(mǎn)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電流，一般取1～2kΩ。下面談?wù)勥^(guò)流保護電路的設計。
      （1）啟動(dòng)狀態(tài)
      電機啟動(dòng)時(shí)必須滿(mǎn)足充電時(shí)間Υ大于啟動(dòng)時(shí)間δ，V2不導通，電機才能正常啟動(dòng)。由于啟動(dòng)電流很大，一般是額定電流的4～7倍，可看成不變，設為I=5I0。根據圖4可知。
      （2）保護狀態(tài)

      設電機負荷在額定狀態(tài)下運行，電機電流I0已經(jīng)穩定。電機短路或堵轉后，電流突然增大到短路電流Is，電容C4開(kāi)始充電?？紤]一定的設計余量，取保護電流設定值IG。

      2.6 散熱設計
      穩壓器的最大允許功耗取決于芯片的最高結溫TjM,當T求得Rθd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，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)驗結果
      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(dòng)時(shí)間δ=50ms，允許短路時(shí)間ts=500ms，保護電流整定值Ic=2A，最高環(huán)境溫度TAM=+45℃的條件下。設計出各電路參數見(jiàn)表3。
      按表3的設計選取參數組裝完畢后，經(jīng)實(shí)驗測定達到如下技術(shù)指標：
      輸出特性Un=24V,In=0～1A：
      電壓穩定度 Sv≤5×10-6；
      負載穩定度S1≤5×10-5；
      溫度系數α≤1×10-5/℃。
      電機能正常啟動(dòng)，當電機堵轉時(shí)，過(guò)流保護正常起作用。
4、結語(yǔ)
      綜上所述，采用LM317集成穩壓器設計的小功率直流電機電源，電路結構簡(jiǎn)單，效率高，成本低，輸出電壓性能好，有著(zhù)很好的應用前景。

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