3.4 光電耦合隔離與驅(qū)動(dòng)電路

由于PWM波形頻率為15.6KHz，普通光耦如TLP521、4N25等由于輸出電容大，使得傳輸波形不夠陡峭，上升延遲十分明顯，所以不能采用這類光耦，而需采用高速光耦，這里我們選用6N137。6N137是一款單通道的高速光耦合器，采用砷化鋁鎵(AlGaAs)作為發(fā)光材料，典型延遲時(shí)間為45ns。其內(nèi)部檢測器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基二極管鉗位的集電極開路三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL或者5V COMS兼容。其特性如下：

(1) 轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10MBit/s;

(2) 壓擺率高達(dá)10kV/μs

(3) 邏輯電平輸入，集電極開路輸出。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖3-5所示：

圖3-5 6N137內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖

2、3腳為輸入端，8腳VCC為輸出端供電電壓，最大值為7V。7腳為使能端，內(nèi)部已上接，在懸空時(shí)為正常輸出。6腳為集電極開路輸出引腳。5腳接地。由6N137構(gòu)成的隔離驅(qū)動(dòng)電路如圖3-6所示(其中一路)。

圖3-6 光電耦合及驅(qū)動(dòng)電路

相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下：

1) 限流電阻計(jì)算。

根據(jù)6N137資料手冊，其內(nèi)部發(fā)光二極管導(dǎo)通電流為5mA，最大不超過15mA，選7.5mA，導(dǎo)通壓降為1.4V(典型值)。假設(shè)輸入信號(hào)高電平為5V，則限流電阻

，實(shí)際取510Ω。

2) 輸出上拉電阻選擇。

由于MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓為10-20V，這里我們?nèi)?5V，因此V1對(duì)該路驅(qū)動(dòng)地G1的電壓即為15V。由于6N137工作電壓為5V，最大不能超過7V，因此需進(jìn)行穩(wěn)壓處理。6N137工作電流為50mA，因此選用了TO-92封裝的5V穩(wěn)壓芯片LM78L05，該芯片輸出電流為100mA，完全能夠滿足要求，且體積小。由于光耦輸出與輸入反相，為使其驅(qū)動(dòng)信號(hào)與輸入信號(hào)同相，加入Q2組成的反相器Q2同時(shí)也起著增加驅(qū)動(dòng)能力的作用。Q2的基極偏置電阻R2的選擇即要滿足光耦輸出三極管快速開關(guān)的要求，也要避免對(duì)Q2驅(qū)動(dòng)不足。過大時(shí)會(huì)使上升沿變慢，過小時(shí)Q2不能完全飽和導(dǎo)通，都將對(duì)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生不利。綜合考慮，選擇10kΩ。

二極管D2和電容C10并聯(lián)后，串入Q2的發(fā)射極，用于加快Q2的關(guān)斷過程，使上升沿陡峭，以減小MOSEFT的開關(guān)損耗。MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)采用互補(bǔ)的三極管S8050和S8550構(gòu)成圖騰柱式輸出，輸出內(nèi)阻小，開關(guān)速度快，并且能提供較大的充電電流。該三極管最大電流為1.5A，TO92封裝，可滿足要求。

3.5 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

3.4.1 驅(qū)動(dòng)電源要求及電路形式

根據(jù)H橋的工作特點(diǎn)，采用隔離驅(qū)動(dòng)時(shí)，最少需要3路相互隔離的驅(qū)動(dòng)供電電源。且還要在輸入電壓在18-30V波動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源電壓都應(yīng)穩(wěn)定在15V不變。這一功能由開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)。開關(guān)電源最突出的特點(diǎn)是體積小，效率高，不足之處是輸出紋波較大、干擾和噪聲都比較嚴(yán)重。對(duì)于本系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電源的主要要求是能穩(wěn)壓和隔離，紋波可以通過加大濾波電容和濾波電感來得到改善。

開關(guān)電源形式有多種，考慮到電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制作的難易程度，我們選擇由SG3525構(gòu)成的推挽式隔離DC-DC。

SG3525是用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET的電流型PWM控制器。結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都較提高，是比較理想的PWM控制器。

SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖3-7所示。

圖 3-7 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

DIP封裝的SG3525各引腳功能描述如下：

1.Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。

2.Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。

3.Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。

4.OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。

5.CT(引腳5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。

6.RT(引腳6)：振蕩器定時(shí)電阻接入端。

7.Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。

8.Soft-Start(引腳8)：軟啟動(dòng)電容接入端。

9.Compensation(引腳9)：PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。

10.Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。接高電平時(shí)輸出被禁止。

11.Output A(引腳11)：輸出端A。

12.Ground(引腳12)：信號(hào)地。

13.Vc(引腳13)：輸出級(jí)供電電壓接入端。

14.Output B(引腳14)：輸出端B。和引腳11互補(bǔ)輸出端。

15.Vcc(引腳15)：電源接入端，工作范圍為8-40V。

16.Vref(引腳16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的5.1V(精度1.0%)基準(zhǔn)源。

SG3525 內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。SG3525的軟啟動(dòng)接入端(引腳8)上接一個(gè)電容即可實(shí)現(xiàn)軟件啟動(dòng)?；鶞?zhǔn)電壓接在誤差放大器的同相輸入端上，將輸出電壓的采樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，PWM脈寬變窄，輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間也變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。反之亦然。[!--empirenews.page--]

當(dāng)Shutdown(引腳10)上的信號(hào)為高電平時(shí)，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過程。為防止外部干擾信號(hào)耦合而影響SG3525的正常工作，Shutdown引腳應(yīng)通過接地電阻可靠接地。

由SG3525構(gòu)成的推挽式隔離DC-DC如圖 3-8所示

圖3-8 SG3525構(gòu)成的推挽式隔離DC-DC

U1LM78012及其外圍的電路構(gòu)成SG3525的供電電路，將18-30V的直流轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的12V給SG3525供電。SG3525內(nèi)部5.1V(從16腳輸出)參考源經(jīng)R4和R5分壓后接到誤差放大器的同相輸入端，作為其參考源。R6、R7、C13構(gòu)成振蕩電路，其頻率由下式計(jì)算得到。

，取C13=2.2nF，R6=4.7k，R7=10，則fosc=144kHz，輸出頻率為振蕩頻率的一半，為72kHz。R9與C16構(gòu)成補(bǔ)償電路。C17為軟啟動(dòng)電容。R11為將關(guān)斷腳，直接接地使3525工作可靠穩(wěn)定。由于驅(qū)動(dòng)電源提供的功率并不是很大，這里為了簡便，我們選用和H橋同型號(hào)的MOSFET：IRF540。其主要參數(shù)：VDS=100V，ID=28A，RDS(on)=77mΩ。

3.4.2 推挽變壓器設(shè)計(jì)

在確定了隔離DC-DC的電路形式和工作頻率后，還需確定輸出功率才能計(jì)算推挽變壓器參數(shù)。驅(qū)動(dòng)電源提供的功率取決于H橋MOSFET的參數(shù)，而H橋的MOSFET又與電源電壓和電機(jī)的額定功率額定電流有關(guān)。電機(jī)供電電壓為18-30V，電機(jī)額定電流4.9A，而電機(jī)啟動(dòng)電流約為額定電流的5倍左右，約為25A。經(jīng)查閱場效應(yīng)管手冊，選擇IRF540，其主要參數(shù)已在上節(jié)介紹過。 由于對(duì)場效應(yīng)管的控制實(shí)質(zhì)是對(duì)輸入電容的充放電控制，驅(qū)動(dòng)線路的負(fù)載為容性。由于電容上電荷的保持作用，理論上講驅(qū)動(dòng)電路無需提供持續(xù)電流，但為使場效應(yīng)管快速開通，需要提供足夠的充電電流。場效應(yīng)管的充電電流IC由下式確定

式中 CGS-柵極到源極的電容(pF);

Ciss-輸入電容(pF);

Crss-反饋電容(pF);

VGS-柵極到源極電壓(V);

tr’-輸入脈沖上升時(shí)間(ns)。

對(duì)IRF540，Ciss=2600pF,Crss=100pF,則CGS=2500pF。

tr’由下式確定：

(3-4)

式中 Rg-脈沖驅(qū)動(dòng)回路的電阻(Ω);

Ciss-輸入電容(pF)。

Rg=20Ω,Ciss=2600pF，則tr’=114ns。代入式3-2中，得到IC=200mA。因此驅(qū)動(dòng)電源提供的瞬時(shí)功率至少為P=15V×200mA=7.5W(實(shí)際輸出功率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此值)。由于有3路隔離輸出，因此設(shè)計(jì)輸出最大功率為24W，頻率取上節(jié)計(jì)算的72kHz。知道輸出功率和頻率后，便可對(duì)變壓器參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1) 計(jì)算初級(jí)匝數(shù)

由電磁感應(yīng)定律可得：

(3-5)

Up是加于變壓器原邊繞組的電源電壓的有效值，為24V, f=72kHz

3) 變壓器繞法

為減小漏感和高頻趨膚效應(yīng)，采用“三明治”繞法，初級(jí)和次級(jí)組都由多股并繞。具體繞法如下：初級(jí)分兩層，第一層的13T繞在最里面，再纏次級(jí)繞組的三個(gè)繞組，最后再纏初級(jí)的13T。每一層都均勻分布的繞，層與層之間用絕緣膠隔開。這樣得到的漏感最小，實(shí)際的測試效果也表明了這一點(diǎn)。輸出濾波電感和電容的選擇計(jì)算從略，原理圖見圖3-9。輸出電壓經(jīng)R13和R14分壓濾波后，反饋到SG3525的1腳，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)壓輸出。

圖3-9 輸出整流濾波及反饋電路