簡易帶過流保護直流電機電源設計

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(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(chǎn)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(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(jīng)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。

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(jù)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(shù)如表1所列，根據(jù)計算出的電流值，選擇相應的穩(wěn)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。
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。
2.2.2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(shù)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(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(shù)值往往要經(jīng)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。
2.5.1 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(jù)圖4可知。

2.5.2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(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。考慮一定的設計余量，取保護電流設定值IGIS，式(3)同樣成立此為一階全響應方程，初始條件uc4(0+)=I0R5, 強制分量uc4(∞)=IGR5, 求解得

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TTjM時穩(wěn)壓器才能正常工作。因此，穩(wěn)壓器的散熱能力愈強, 結溫就愈低，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體器件加散熱片后可減小總熱阻。若令Rθ1表示從結到器件外殼的熱阻，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’表示加散熱片后結到空氣的總熱阻，則Rθ’=RθA+Rθd。設集成穩(wěn)壓器的最高允許結溫為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(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(shù)見表3。

按表3的設計選取參數(shù)組裝完畢后，經(jīng)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≤510-6；
負載穩(wěn)定度S1≤51O-5；
溫度系數(shù)α≤110-5/℃。
電機能正常啟動，當電機堵轉時，過流保護正常起作用。

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。