半橋電路與運(yùn)放電路設(shè)計(jì)詳解 —電路圖天天讀（230）

　　在PWM和電子鎮(zhèn)流器當(dāng)中，半橋電路發(fā)揮著重要的作用。半橋電路由兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件組成，它們以圖騰柱的形式連接在一起，并進(jìn)行輸出，提供方波信號(hào)。本篇文章將為大家介紹半橋電路的工作原理，以及半橋電路當(dāng)中應(yīng)該注意的一些問(wèn)題，希望能夠幫助電源新手們更快的理解半橋電路。

　　首先我們先來(lái)了解一下半橋電路的基本拓?fù)洌?/strong>

　　半橋電路的基本拓?fù)潆娐穲D

　　電容器C1和C2與開(kāi)關(guān)管Q1、Q2組成橋，橋的對(duì)角線接變壓器T1的原邊繞組，故稱(chēng)半橋變換器。如果此時(shí)C1=C2，那么當(dāng)某一開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，繞組上的電壓只有電源電壓的一半。

　　半橋電路概念的引入及其工作原理

　　電路的工作過(guò)程大致如下：

　　參照半橋電路的基本拓?fù)潆娐穲D，其中Q1開(kāi)通，Q2關(guān)斷，此時(shí)變壓器兩端所加的電壓為母線電壓的一半，同時(shí)能量由原邊向副邊傳遞。Q1關(guān)斷，Q2關(guān)斷，此時(shí)變壓器副邊兩個(gè)繞組由于整流二極管兩個(gè)管子同時(shí)續(xù)流而處于短路狀態(tài)，原邊繞組也相當(dāng)于短路狀態(tài)。Q1關(guān)斷，Q2開(kāi)通。此時(shí)變壓器兩端所加的電壓也基本上是母線電壓的一半，同時(shí)能量由原邊向副邊傳遞。副邊兩個(gè)二極管完成換流。

　　半橋電路中應(yīng)該注意問(wèn)題匯總

　　偏磁問(wèn)題

　　原因：由于兩個(gè)電容連接點(diǎn)A的電位是隨Q1、Q2導(dǎo)通情況而浮動(dòng)的，所以能夠自動(dòng)的平衡每個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)的伏秒值，當(dāng)浮動(dòng)不滿(mǎn)足要求時(shí)，假設(shè)Q1、Q2具有不同的開(kāi)關(guān)特性，即在相同的基極脈沖寬度t=t1下，Q1關(guān)斷較慢，Q2關(guān)斷較快，則對(duì)B點(diǎn)的電壓就會(huì)有影響，就會(huì)有有灰色面積中A1、A2的不平衡伏秒值，原因就是Q1關(guān)斷延遲。

　　如果要這種不平衡的波形驅(qū)動(dòng)變壓器，將會(huì)發(fā)生偏磁現(xiàn)象，致使鐵心飽和并產(chǎn)生過(guò)大的晶體管集電極電流，從而降低了變換器的效率，使晶體管失控，甚至燒毀。

　　在變壓器原邊串聯(lián)一個(gè)電容的工作波形圖

　　解決辦法：在變壓器原邊線圈中加一個(gè)串聯(lián)電容C3，則與不平衡的伏秒值成正比的直流偏壓將被次電容濾掉，這樣在晶體管導(dǎo)通期間，就會(huì)平衡電壓的伏秒值，達(dá)到消除偏磁的目的。

　　用作橋臂的兩個(gè)電容選用問(wèn)題：

　　從半橋電路結(jié)構(gòu)上看，選用橋臂上的兩個(gè)電容C1、C2時(shí)需要考慮電容的均壓?jiǎn)栴}，盡量選用C1=C2的電容，那么當(dāng)某一開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，繞組上的電壓只有電源電壓的一半，達(dá)到均壓效果，一般情況下，還要在兩個(gè)電容兩端各并聯(lián)一個(gè)電阻（原理圖中的R1和R2）并且R1=R2進(jìn)一步滿(mǎn)足要求，此時(shí)在選擇阻值和功率時(shí)需要注意降額。此時(shí)，電容C1、C2的作用就是用來(lái)自動(dòng)平衡每個(gè)開(kāi)關(guān)管的伏秒值，（與C3的區(qū)別：C3是濾去影響伏秒平衡的直流分量）。

　　解決措施：

　　可以對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖寬度的最大值加以限制，使導(dǎo)通角度不會(huì)產(chǎn)生直通。

　　還可以從拓?fù)渖辖鉀Q問(wèn)題，才用交叉耦合封閉電路，使一管子導(dǎo)通時(shí)，另一管子驅(qū)動(dòng)在封閉狀態(tài)，直到前一個(gè)管子關(guān)斷，封閉才取消，后管才有導(dǎo)通的可能，這種自動(dòng)封鎖對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間、參數(shù)分布有自動(dòng)適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)占空比可以滿(mǎn)度使用的。

　　副邊為全波電路

　　副邊為全橋電路

　　兩個(gè)電路的選擇主要是考慮以下兩點(diǎn)：

　　1、根據(jù)輸出電壓的高低，考慮管子的安全問(wèn)題;2、功率損耗的問(wèn)題，主要是開(kāi)關(guān)管和副邊繞組的損耗問(wèn)題;

　　半橋電路的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題：

　　1、原邊線圈過(guò)負(fù)載限制：要給原邊的功率管提供獨(dú)立的電流限制;2、軟啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)時(shí)，要限制脈寬，使得脈寬在啟動(dòng)的最初若干個(gè)周期中慢慢上升;3、磁的控制：控制晶體管驅(qū)動(dòng)脈沖寬度相等，要使正反磁通相等，不產(chǎn)生偏磁;4、防止直通：要控制占空比上限縮小;5、電壓的控制和隔離：電路要閉環(huán)控制，隔離可以是光電隔離器、變壓器或磁放大器等;6、過(guò)壓保護(hù)：通常是封閉變換器的開(kāi)關(guān)脈沖以進(jìn)行過(guò)壓保護(hù);7、電流限制：電流限制安裝在輸入或輸出回路上，在發(fā)生短路時(shí)候起作用;8、輸入電壓過(guò)低保護(hù)：規(guī)定只有在發(fā)揮良好性能的足夠高的電壓下才能啟動(dòng);9、此外，還要有合適的輔助功能：如浪涌電流限制和輸出濾波環(huán)節(jié)等。

　　半橋電路的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)：

　　1、上下橋臂不共地，即原邊電路的開(kāi)關(guān)管不共地。2、隔離驅(qū)動(dòng)。

　　如何將雙電源運(yùn)放電路改為單電源電路

　　絕大多數(shù)的模擬電路設(shè)計(jì)者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運(yùn)算放大器，比如圖1左邊的那個(gè)電路，一個(gè)雙電源是由一個(gè)正電源和一個(gè)相等電壓的負(fù)電源組成。一般是正負(fù)15V，正負(fù)12V和正負(fù)5V也是經(jīng)常使用的。輸入電壓和輸出電壓都是參考地給出的，還包括正負(fù)電壓的擺動(dòng)幅度極限Vom以及最大輸出擺幅。

　　單電源供電的電路（圖1中右）運(yùn)放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到VCC＋，地或者VCC－引腳連接到GND。將正電壓分成一半后的電壓作為虛地接到運(yùn)放的輸入引腳上，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓也是該虛地電壓，運(yùn)放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在Vom 之內(nèi)。有一些新的運(yùn)放有兩個(gè)不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)中會(huì)特別分別指明Voh 和Vol 。需要特別注意的是有不少的設(shè)計(jì)者會(huì)很隨意的用虛地來(lái)參考輸入電壓和輸出電壓，但在大部分應(yīng)用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設(shè)計(jì)者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來(lái)隔離虛地和地之間的直流電壓。

　　圖1

　　通常單電源供電的電壓一般是5V，這時(shí)運(yùn)放的輸出電壓擺幅會(huì)更低。另外現(xiàn)在運(yùn)放的供電電壓也可以是3V 也或者會(huì)更低。出于這個(gè)原因在單電源供電的電路中使用的運(yùn)放基本上都是Rail－To－Rail 的運(yùn)放（如AD820(＄1.5078)、AD822(＄2.4840)、AD824(＄1.4592)），這樣就消除了丟失的動(dòng)態(tài)范圍。需要特別指出的是輸入和輸出不一定都能夠承受Rail－To－Rail 的電壓。雖然器件被指明是軌至軌（Rail－To－Rail）的，如果運(yùn)放的輸出或者輸入不支持軌至軌，接近輸入或者接近輸出電壓極限的電壓可能會(huì)使運(yùn)放的功能退化，所以需要仔細(xì)的參考數(shù)據(jù)手冊(cè)是否輸入和輸出是否都是軌至軌。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：本篇文章幾乎將半橋電路的大部分基礎(chǔ)知識(shí)都進(jìn)行了總結(jié)和歸納。難得的是，還對(duì)半橋電路當(dāng)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的分析，并給出了相應(yīng)的解決方案。希望大家能夠全面掌握這些知識(shí)，從而為自己的設(shè)計(jì)生涯打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然后介紹了如何將雙電源運(yùn)放電路改為單電源電路設(shè)計(jì)，更好了為電路設(shè)計(jì)者服務(wù)。
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