三极管设计电源的开关电路（二）

2023-3-22 15:43:47 1089 三极管逻辑电路变压器

0 　　基于三极管的特性，将逻辑取反电路的参数进行了详细的计算，并给出了电阻取值的理由，但选型中没有对非常重要的一个器件——三极管进行分析。下面一起看看对于“逻辑取反”电路和常见的开关电源里面的“开关电路”使用的三极管在选型方面有哪些需要注意的地方。　　逻辑取反电路　　在逻辑取反电路中，控制信号幅值为5V，低压小信号，如果此时电源VCC电压的幅值较大，是高压信号。此时的电阻R5为阻性负载，Uce的波形如下：　　当开关S0闭合时，三级管Q3饱和导通，根据电路理论：Uce+Ur=VCC，由于此时Q3的导通，压降几乎为0，则此时Uce=0；　　当开关S0断开时，三级管Q3截止，根据电路理论：Uce+Ur=VCC，由于此时Q3未导通，电路中没有电流，则Ur=0V，此时的Uce=VCC。　　因此Uce的波形如上图2波形所示。在幅值上Uce比5V大，在相位上和控制信号相反。电路既能实现逻辑取反，也能实现电平转换，同时还是小信号控制大信号理念的体现。　　针对三级管开通和关断的时间，进行了电阻的调整，但是未对三极管集电极承受的电压进行计算。从Uce的波形上可以看出，如果三极管要能正常的开通和关断，在集电极承受的电压最小为0V，最大为VCC。　　考虑到安全裕量，开关管的耐压值Uce=（1.2~1.5）xVCC 　　举例：根据2N3904数据手册，三极管的VCE最大为40V。如果将该型号的三极管用在电路中，VCC的电压不能超过40/1.5=28V，即在VCC电压为30V以下的电路都是比较安全的。　　开关电源的开关电路　　在逻辑取反电路中，集电极和VCC之间接的R5为阻性负载，如果将阻性负载改为感性负载——电感（变压器）。这种电路在隔离式开关电源的拓扑中会经常看到，如下图的反激式拓扑所示。　　为了方便分析，将隔离式开关电源的中的开关电路部分进行单独分析，如下图5所示。　　如果测试2N3904的Uce之间的波形，在示波器上经常会看到下面的波形，即在方波上还有一个振荡的波形。　　如果用示波器测量Uce波形幅值，会发现振荡波形的中心电压为VCC，而波形的最大值远大于VCC，几乎是VCC的2倍。　　下面分析一下上述波形的形成的原因。　　当开关S0闭合时，此时三极管饱和导通，Uce的电压基本上为0，不需要做深入的分析。从示波器的波形也可以看出，Uce为低电平时，波形非常干净。　　当开关S0断开时，此时三极管截止，由于在电路开通阶段，电感中有电流流过，电感储存了一部分能量，现在开关S0突然关断即三极管也关断。由电感的特性可知，此时电感必然会感应出一个电动势来阻碍电流的减小，产生的感应电动势方向为图示中红色的方向，即下正下负。　　此时有VCC+UL=Uce，即在三极管截止关断的一瞬间，Uce的电压从VCC瞬间突变到的非常高，如下图8中的M点。　　M点的出现是因为三极管的关断，能量和电流一样不能突变，电感中储存的能量会因为没有释放通路，产生尖峰电压即dv/dt比较大。同时，由于生产工艺的原因，在绕制的电感线圈之间存在分布电容，这部分能量会对分布电容充电，对电容充电的过程，Uce会慢慢下降，电容充满以后反过来对电感充电，该过程会一直持续几个周期。　　考虑到电感自身电阻以及线路的铜耗，电压会不断降低，振荡的过程为阻尼振荡，也称为振铃现象。当电感中的电流为0以后，能量释放完毕，此时的Uce被电源钳位在VCC电压。　　一般在电路中只要出现振荡，那必不可少的两个元器件L，C。根据电感自身的特性，将电感线圈绕组间的分布电容等效为一个电容，且它和电感L进行并联。等效电路如下图10所示。　　在三级管关断时，此时电感的感生电势电压方向为下正上负，对电容充电，电容下正上负。　　电容充满以后，又对电感放电，此时电容的电压方向还是下正上负，电感为了阻碍电容的充电，感生电势的电压下正上负。　　电容的电放完以后，电感为了维持被充电的状态，产生感生电势的方向变为上正下负，继续对电容反向充电。　　电容充满以后，又对电感放电，此时电容的电压方向还是上正下负，电感为了阻碍电容的充电，感生电势的电压上正下负　　上面充电、放电的循环往复，加上电路的线阻，就形成了上述振铃的现象。　　分析完上面波形产生的原理，显然三极管集电极的耐压和逻辑取反电路的耐压值选取原则不一样。　　考虑到三极管的安全性和裕量，耐压值至少为2倍的VCC，即Uce=（2~2.5）xVCC 　　举例：如果VCC是AC220整流后的电压，即为310V，按照上面给出的选项原则，选一个耐压值为800V左右的三极管即可。问题来了，如果选择一个耐压值为1500V的三极管，不是更安全吗？　　根据图3的2N3904的数据手册可知，Uce的耐压值为40V，下图是2N2904三极管Uce的饱和压降值为0.2V。　　再看看三极管HM13002的数据手册，Uce耐压值为800V，而此时Uce饱和压降为0.8V。　　从上面的数据可以看出，如果选择开关管耐压值越高，饱和压降会越大。饱和压降越大，三极管在开通的时候虽然能够承受更高的电压，但由P=U*I可知，此时三极管的功耗增加，三极管会发热严重！　　因此，在开关电源的开关管（BJT、MOS）选型中，并不是耐压值越大越好，需要综合考虑。　　通过利用三极管设计“逻辑取反电路”和“开关电路”可以发现，在实际电路中，对某一个器件的选择，并不是只要参数满足它就可以使用，往往要结合多方面进行折中考虑。原作者：零下12度半大话硬件 0
2023-3-22 15:43:47　　评论淘帖0 举报相关推荐 • PNP三极管和NPN三极管的开关电路 219 • 9013三极管参数_9013三极管开关电路 54715 • PNP三极管和NPN三极管的开关电路 115757 • 三极管放大电路与开关电路的设计 3781 • 三极管开关电路-自控电路原理 4884 • 三极管的开关电路讲解 4023 • 三极管开关电路设计 955 • 三极管开关电路设计 1703 • 三极管开关电路原理及计算选型 6730 • 三极管开关电路图是基于什么原理 36