目前，各種直流電源產品充斥著市場，電源技術已經比較成熟。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的集成穩(wěn)壓電路，同樣能滿足產品的要求。
過流保護電路作為電源電路中不可缺少的一個組成部分，根據其控制方法大致可以分為關斷方式和限流方式，而直流電機電源較宜采用關斷方式。
過流保護電路首先要有一個電流取樣環(huán)節(jié)，常用做法是串聯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，因而考慮采用串聯一個小電阻的方法。
1、工作原理
帶過流保護功能的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、保護電路。交流220V電壓經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。
圖1 帶有保護的LM317穩(wěn)定電路
圖2 直流穩(wěn)壓電源方框圖
下面分析保護電路的工作過程。
1.1 集成穩(wěn)壓器的保護
為獲得較高的輸出電壓值，LM317穩(wěn)壓器的調節(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。當輸入端或輸出端發(fā)生短路時，電容C3的放電將在R1上產生沖擊電壓，會危及穩(wěn)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(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的深度負反饋下工作，當輸出端負載為容性的某一值時，穩(wěn)壓器有可能出現自激現象。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載的瞬態(tài)響應。當輸入端發(fā)生短路時，C5通過穩(wěn)壓器的調整管放電，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(wěn)壓器兩端并接二極管D2，輸入端短路時C5通過D2放電，保護穩(wěn)壓器。
1.2 過流保護
過流保護電路原理見圖3，R5為取樣小電阻。當電源工作時，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R4對C4充電。通過設定R4、C4的值，使充電時間Υ大于電機啟動時間δ，V2(9013)處于截止狀態(tài)，電機啟動到穩(wěn)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(wěn)壓器的輸出電壓降為基準電壓1.25V。
圖3 保護電路原理圖
2、電路設計
2.1 集成穩(wěn)壓器的選擇
在選擇集成穩(wěn)壓器時，應該兼顧性能、使用和價格幾個方面。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(wěn)定范圍的寬窄來選。LM317系列由于其輸出電壓可調，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(wěn)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(wěn)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(wěn)壓器。
表1 LM317家族主要成員
 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(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。設計時可考慮一定的余量。
（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過多次調整。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)壓器基準電壓。而輸出電壓U0與VREF、R1、R2有以下關系：
Un=VREF+(IR1+Iadj)R2=(1+R2/R1)VREF+IadjR2 (1)
調節(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 保護電路設計
電路中保護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。下面談談過流保護電路的設計。
（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，設為I=5I0。根據圖4可知。
圖4 保護電路瞬時短路響應
（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已經穩(wěn)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(wěn)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，通過查散熱片等效熱阻與材料厚度和表面積關系的有關手冊，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表3。
按表3的設計選取參數組裝完畢后，經實驗測定達到如下技術指標：
輸出特性Un=24V,In=0~1A：
電壓穩(wěn)定度 Sv≤5×10-6；
負載穩(wěn)定度S1≤5×10-5；
溫度系數α≤1×10-5/℃。
電機能正常啟動，當電機堵轉時，過流保護正常起作用。
表2 幾種封裝形式的熱阻
表3 設計參數值
 4、結語
綜上所述，采用LM317集成穩(wěn)壓器設計的小功率直流電機電源，電路結構簡單，效率高，成本低，輸出電壓性能好，有著很好的應用前景。 |
