第3课 分立元器件设计2

2020/1/27功率MOS管主要工作特性：1）其工作频率可以达20KHz以上，有的甚至可以达到100KHz~200KHz；2）体积小、重量轻；3）高速、大功率、高耐压（可以达到1400V以上NMOS）；4）高增益，存储时间不受限制，不会热击穿。2020/1/27MOS管的符号NMOS/PMOS的符号为：2020/1/27MOS管原理MOS管是电压控制器件，为了在D极获得一个较大电流，在MOS管的G极和S极间必须加一个受控的电压，因MOS的栅极与源极在电气上是靠硅氧化层相互隔离的，管子加电后只有很少的一点漏电流从所加电源端流入到栅极。因此，可以说MOS管具有极高的增益和阻抗。为了驱动MOS管导通，需要在栅极和源极间加入电压脉冲，用于产生有效的充电电流，给MOS管的输入电容Ciss充电。为提高MOS管的开关速度，驱动电阻Rg不可特大，可用公式得到其值：Rg=tr（或tf）/2.2Ciss驱动电流脉冲值：Ig=Qtotal/tr其中Rg：驱动阻抗，Ω；Ciss：MOS管的输入电容，F；tr和tf：分别为MOS管驱动信号的上升时间和下降时间，s；G-S电压无，MOS管关闭，D-S程高阻状态，抑制电流通过。2020/1/27MOS管的驱动简单的加快关断速度加快MOS关断速度2020/1/27MOS管的驱动简单的加快开通速度2020/1/27MOS自举驱动2020/1/27MOS隔离变压器驱动12020/1/27MOS隔离变压器驱动2适用于半桥、推挽、双管正激的驱动适用于全桥的驱动2020/1/27MOS图腾柱驱动三极管组成的图腾柱驱动由MOS组成图腾柱驱动2020/1/27IGBTIGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。2020/1/27BJTBJT就是双极性晶体管（三极管），是一个电流驱动的器件，如MBJ13003、13005等，放大倍数通常是几十倍，由于其导通到关断需要一段时间，因此适用于频率较低的电源电路中。2020/1/27BJT的驱动2020/1/27BJT的贝克钳位电路2020/1/27稳压管TL431TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。从该器件的符号看。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。从下图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。2020/1/27TL431内部结构图其内部电路图为：2020/1/27TL431在开关电源中的作用1如图2020/1/27在开关电源上的应用2在过去的普通开关电源设计中，通常采用将输出电压经过误差放大后直接反馈到输入端的模式。这种电压控制的模式在某些应用中也能较好地发挥作用，但随着技术的发展，当今世界的电源制造业大多已采用一种有类似拓扑结构的方案。此类结构的开关电源有以下特点：输出经过TL431(可控分流基准)反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。上图是一个实用的4W开关型5V直流稳压电源的电路。该电路采用了此种拓扑结构并同时使用了TOPSwitch技术。2020/1/27在开关电源上的应用3图中C1、L1、C8和C9构成EMI滤波器，BR1和C2对输入交流电压整流滤波，D1和D2用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压，U1是一个内置MOSFET的电流模式PWM控制器芯片，它接受反馈并控制整个电路的工作。D3、C3是次极整流滤波电路，L2和C4组成低通滤波以降低输出纹波电压。R2和R3是输出取样电阻，两者对输出的分压通过TL431的REF端来控制该器件从阴极到阳极的分流。这个电流又是直接驱动光耦U2的发光部分的。那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大。U1在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落。事上，上面讲述的过程在极短的时间内就会达到平衡，平衡时Vref2.5V，又有R2=R3，所以输出为稳定的5V。这里要注意的是，不再能通过简单地改变取样电阻R2、R3的值来改变输出电压，因为在开关电源中每个元件的参数对整个电路工作状态的影响都会很大。按图中所示参数时，电路可在90VAC～264VAC（50/60Hz）输入范围内，输出+5V，精度优于±3%，输出功率为4W，最大输出电流可达0.8A，典型变换效率为70%。2020/1/27TL431为基准的输出电压的计算Vo=2.5*(R1+R2)/R22020/1/27光电耦合器光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。2020/1/27光电耦合器性能特点22020/1/27光电耦合器选用原则2020/1/27PC817光耦详解二极管正向电流IF生成一个光源，使光敏三极管产生一集电极电流IC供给负载电阻RL；光敏二极管共有三个重要参数：1）二极管正向电流IF；2）二极管正向压降VF；3）输入电压Vin；限流电阻R=（Vin-VF）IF，一般生产厂家给出VF和IF，可以计算出R的值。光敏输出有一个重要参数：输出IC=η×IF这里的，η：耦合系数（传输率），一般厂家会给出；