簡(jiǎn)易帶過流保護(hù)直流電機(jī)電源設(shè)計(jì)

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(gè)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(shí)，電容C3的放電將在R1上產(chǎn)生沖擊電壓，會(huì)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(shí)，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(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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí)，C5通過穩(wěn)壓器的調(diào)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(shí)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(shí)，穩(wěn)壓器輸出端輸出正向直流電壓，電機(jī)開始啟動(dòng)。由于直流電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)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(duì)C4充電。通過設(shè)定R4、C4的值，使充電時(shí)間Υ大于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間δ，V2(9013)處于截止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)后，電流恢復(fù)到工作電流。一旦電機(jī)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(qiáng)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(jì)
2.1 集成穩(wěn)壓器的選擇
在選擇集成穩(wěn)壓器時(shí)，應(yīng)該兼顧性能、使用和價(jià)格幾個(gè)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(lái)選。LM317系列由于其輸出電壓可調(diào)，同時(shí)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(yùn)行，還需要考慮一定的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)
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=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(jí)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(yùn)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(jì)時(shí)可考慮一定的余量。
2.2.2濾波電容設(shè)計(jì)
濾波電解電容C1的選擇原則是：取其放電時(shí)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(dòng)電壓峰值。對(duì)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(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(jì)
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(huì)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(jì)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(jì)的各個(gè)要點(diǎn)，本文不再贅述。這里采用近似計(jì)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(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)
為保證穩(wěn)壓器在空載時(shí)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(jì)
電路中保護(hù)二極管的選擇比較簡(jiǎn)單，只要能保證滿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(jí)電流，一般取1～2kΩ。下面談?wù)勥^流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
2.5.1 啟動(dòng)狀態(tài)
電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須滿足充電時(shí)間Υ大于啟動(dòng)時(shí)間δ，V2不導(dǎo)通，電機(jī)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(shè)為I=5I0。根據(jù)圖4可知。

2.5.2保護(hù)狀態(tài)
設(shè)電機(jī)負(fù)荷在額定狀態(tài)下運(yùn)行，電機(jī)電流I0已經(jīng)穩(wěn)定。電機(jī)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(jì)余量，取保護(hù)電流設(shè)定值IGIS，式(3)同樣成立此為一階全響應(yīng)方程，初始條件uc4(0+)=I0R5, 強(qiáng)制分量uc4(∞)=IGR5, 求解得

2.6 散熱設(shè)計(jì)
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)TTjM時(shí)穩(wěn)壓器才能正常工作。因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強(qiáng), 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Rθ1表示從結(jié)到器件外殼的熱阻，Rθ2表示從器件外殼到散熱片表面的熱阻，RθA表示從結(jié)到散熱片表面的熱阻，則RθA=Rθ1+Rθ2。若令Rθd表示散熱片到周圍空氣的熱阻，Rθ’表示加散熱片后結(jié)到空氣的總熱阻，則Rθ’=RθA+Rθd。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)。

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(cè)．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(yàn)結(jié)果
在交流供電電壓220(11O％)V，輸出額定電壓U0=24V，額定功率P0=15W，額定電流I0=0.625A，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間δ=50ms，允許短路時(shí)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(jì)出各電路參數(shù)見表3。

按表3的設(shè)計(jì)選取參數(shù)組裝完畢后，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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≤510-6；
負(fù)載穩(wěn)定度S1≤51O-5；
溫度系數(shù)α≤110-5/℃。
電機(jī)能正常啟動(dòng)，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，過流保護(hù)正常起作用。

4 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，采用LM317集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的小功率直流電機(jī)電源，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，成本低，輸出電壓性能好，有著很好的應(yīng)用前景。