半橋電路與運放電路設(shè)計詳解

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

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

首先我們先來了解一下半橋電路的基本拓撲：

半橋電路的基本拓撲電路圖

電容器C1和C2與開關(guān)管Q1、Q2組成橋，橋的對角線接變壓器T1的原邊繞組，故稱半橋變換器。如果此時C1=C2，那么當某一開關(guān)管導(dǎo)通時，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

電路的工作過程大致如下：

參照半橋電路的基本拓撲電路圖，其中Q1開通，Q2關(guān)斷，此時變壓器兩端所加的電壓為母線電壓的一半，同時能量由原邊向副邊傳遞。Q1關(guān)斷，Q2關(guān)斷，此時變壓器副邊兩個繞組由于整流二極管兩個管子同時續(xù)流而處于短路狀態(tài)，原邊繞組也相當于短路狀態(tài)。Q1關(guān)斷，Q2開通。此時變壓器兩端所加的電壓也基本上是母線電壓的一半，同時能量由原邊向副邊傳遞。副邊兩個二極管完成換流。

半橋電路中應(yīng)該注意問題匯總

偏磁問題

原因：由于兩個電容連接點A的電位是隨Q1、Q2導(dǎo)通情況而浮動的，所以能夠自動的平衡每個晶體管開關(guān)的伏秒值，當浮動不滿足要求時，假設(shè)Q1、Q2具有不同的開關(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B點的電壓就會有影響，就會有有灰色面積中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)動變壓器，將會發(fā)生偏磁現(xiàn)象，致使鐵心飽和并產(chǎn)生過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)一個電容的工作波形圖

解決辦法：在變壓器原邊線圈中加一個串聯(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，就會平衡電壓的伏秒值，達到消除偏磁的目的。

用作橋臂的兩個電容選用問題：

從半橋電路結(jié)構(gòu)上看，選用橋臂上的兩個電容C1、C2時需要考慮電容的均壓問題，盡量選用C1=C2的電容，那么當某一開關(guān)管導(dǎo)通時，繞組上的電壓只有電源電壓的一半，達到均壓效果，一般情況下，還要在兩個電容兩端各并聯(lián)一個電阻(原理圖中的R1和R2)并且R1=R2進一步滿足要求，此時在選擇阻值和功率時需要注意降額。此時，電容C1、C2的作用就是用來自動平衡每個開關(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：

可以對驅(qū)動脈沖寬度的最大值加以限制，使導(dǎo)通角度不會產(chǎn)生直通。

還可以從拓撲上解決問題，才用交叉耦合封閉電路，使一管子導(dǎo)通時，另一管子驅(qū)動在封閉狀態(tài)，直到前一個管子關(guān)斷，封閉才取消，后管才有導(dǎo)通的可能，這種自動封鎖對存儲時間、參數(shù)分布有自動適應(yīng)的優(yōu)點，而且對占空比可以滿度使用的。

副邊為全波電路

副邊為全橋電路

兩個電路的選擇主要是考慮以下兩點：

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

半橋電路的驅(qū)動問題：

1、原邊線圈過負載限制：要給原邊的功率管提供獨立的電流限制;2、軟啟動：啟動時，要限制脈寬，使得脈寬在啟動的最初若干個周期中慢慢上升;3、磁的控制：控制晶體管驅(qū)動脈沖寬度相等，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、過壓保護：通常是封閉變換器的開關(guān)脈沖以進行過壓保護;7、電流限制：電流限制安裝在輸入或輸出回路上，在發(fā)生短路時候起作用;8、輸入電壓過低保護：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;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)動特點：

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

如何將雙電源運放電路改為單電源電路

絕大多數(shù)的模擬電路設(shè)計者都知道怎么在雙電源電壓的條件下使用運算放大器，比如圖1左邊的那個電路，一個雙電源是由一個正電源和一個相等電壓的負電源組成。一般是正負15V，正負12V和正負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，還包括正負電壓的擺動幅度極限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放的輸入引腳上，這時運放的輸出電壓也是該虛地電壓，運放的輸出電壓以虛地為中心，擺幅在Vom 之內(nèi)。有一些新的運放有兩個不同的最高輸出電壓和最低輸出電壓。這種運放的數(shù)據(jù)手冊中會特別分別指明Voh 和Vol 。需要特別注意的是有不少的設(shè)計者會很隨意的用虛地來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)計者必須在輸入和輸出的地方加入隔直電容，用來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，這時運放的輸出電壓擺幅會更低。另外現(xiàn)在運放的供電電壓也可以是3V 也或者會更低。出于這個原因在單電源供電的電路中使用的運放基本上都是Rail-To-Rail 的運放，這樣就消除了丟失的動態(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使運放的功能退化，所以需要仔細的參考數(shù)據(jù)手冊是否輸入和輸出是否都是軌至軌。

編輯點評：本篇文章幾乎將半橋電路的大部分基礎(chǔ)知識都進行了總結(jié)和歸納。難得的是，還對半橋電路當中出現(xiàn)的問題進行了詳盡的分析，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，從而為自己的設(shè)計生涯打好堅實的基礎(chǔ)。然后介紹了如何將雙電源運放電路改為單電源電路設(shè)計，更好了為電路設(shè)計者服務(wù)。