CMOS模拟电路课程设计
———一种过温保护电路设计
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目录第一部分：温度保护电路设计
一、·
二、基本原理
三、电路实现
1.过温保护功能的描述
2.迟滞功能的实现
3.比较器的实现
四、各个管子的功能介绍
五、器件参数设计
1.确定VREF的值
2.@
3.确定反馈抽取电流I2
4.作为电流镜的管子的参数选取
5.两级运放的参数选取
6.反馈回路参数确定
第二部分电流源设计
一、电流源电路原理
二、器件参数估算
1.电流分配：
2.)
3.参数计算（300K）
第三部分：仿真结果与分析验证
1.整体静态工作电流
2.电流源温度特性
3.电流源电压特性
4.整体电路工艺稳定性
第四部分：设计总结
参考文献
}
第一部分
温度保护电路设计
一．基本原理
如图1所示，Q0的作用是检测芯片工作温度的。在正常情况下，三极管反射极的电位VE即比较器负端电位比正端电位高，比较器输出低电平，芯片正常工作。当温度升高时，由于三极管EB结电压的是负温度系数，三极管发射极到基极的电压V
EB
会降低，但是由于基极电位是基准电压VREFl，故三极管的发射极电压即比较器的负端电位会降低。当温度超过翻转阈值的时候，比较器负端电位会降到比正端的电位VREF2低，比较器就会输出高电平，从而关断功率开关器件，避免芯片被烧毁。迟滞产生电路的作用是在芯片正常工作和过温时产生大小不同的电流，改变比较器的翻转阈值。从而防止功率开关器件在翻转点频繁开启和关断。
图1.温度保护电路原理图
二．电路实现
)
1．过温保护功能的描述
当管芯温度超过160℃时，过温保护电路输出控制信号OUTPUT输出为高电平；直到温度降至140℃时，过温保护电路输出控制信号OUTPUT才重新变为低电平。
图2过温保护实际电路
I1
I2
Q0
M13
<
M
M16
M1
M2
M15
M14
M0
M12
M10
M9
M8
（
M
M6
M5
M4
"
M
M22
M21
M20
M19
M18
M17
【
OUTPUT
2.迟滞功能的实现
当温度没有达到过温点时，OUTPUT 为低电平，M 13管关断，流过Q O 的电流为I 1。根据三极管发射结电压与电流的关系可知
01()()ln EB Q EB NOMAL T I
V V V Is
== （1）
当温度达到160℃，比较器输出变为高电平，M 13管的栅极变为高电平，进而打开M 13管，从而流过Q 0管的电流减少，变为I 1-I 2，这时
012()()ln EB Q EB OT T I I
V V V Is
-== （2）
导致VBE(Q0)进一步减小，减小的量为
0112()(ln ln )EB Q T I I I
V V Is Is
-=- （3）
" 温度的迟滞量为：
EB
delay V T A ?=
（4） 式中A 0为三极管EB 结电压的温度系数(常温下该值约为一2mV ／K)。 由于迟滞，只有当温度下降到比160"C 低20"C 的温度，才能使V EB （OT ）上升到使比较器翻转。比较器翻转后，输出为低电平，M13管关闭，如果此时温度在上升，V EB （Q0）必须上升到V EB （NOMAL ）比较器才会再次翻转，这样就实现迟滞。
3．比较器的实现
根据图2，比较器是一个两级比较器，第一级采用有源电流镜负载的差动放大器，第二级采用电流源负载共源级放大器。当V EB （Q0） 第一级增益： 《 11 2 m m g G = （5） 1116(2)out o o R r r = （6） 11 11116[(2)]2 m v o o g A r r = （7） 第二级的增益： 从输出节点往上看， 2212()m mb o o out R g g r r ↑=+ （8） 从输出节点向下看， 0o out R r ↓= （9） ) 所以，有 ？ VREF '0m m G G = （10） '22120()out m mb o o o R g g r r r =+ （11） ''2v m out A G R = （12） 总的增益为 12v v v A A A = （13） 从上面对增益的推导中可知该比较器的增益足够高，满足高分辨率的要求。 " 三．各个管子的功能介绍 如图2所示，M 3、M 4以及Q 0构成了温度检验电路，其中M 1、M 2是低压工作的电流镜提供了I 1，由于三极管V EB 具有负温度系数，基本随温度升高而线性减小，所以V EB 可以检测温度。为了提高放大倍数以及输出摆幅，比较器采用两级运放构成。M 5、M 6、M 11、M 12、M 16、M 17构成了有源电流镜负载的第一级差动放大器，其中M 5、M 6是低压工作的电流镜，M 16、M 17是有源电流镜负载。M 0～M 2构成第二级共源级放大器，M 1～M 2是低压共源共栅电流镜提供尾电流。M 7、M 8为低压共源共栅电流镜提供偏置，M 14、M 19与M 22构成共源共栅电流镜，将基准电流镜像过来作为电流源。M 15、M 20为M14的栅压提供偏置。M 9与M 10，M 21与M 22分别构成电流镜。M 13、M 18是迟滞产生电路，OUTPUT 为低电平，M 13管关断，反馈回路不抽取电流，三极管I E =I 1； OUTPUT 为高电平，M 13管打开，反馈回路抽取电流I 2（I 2大小取决于M 18、M 22构成的电流镜）。 四．器件参数设计 整体静态电流指标：（VDD=~，全典型模型，TeMp=27℃条件下）<60μA ，由于电流源要输出10μA 电流剩下50μA 分配20μA 给电流源电路，剩下30μA 给过温保护电路。 1.过温保护电路器件参数设计 电流提供的基准电流设定为5μA ，过温保护电路有6条支路初步初步每条支路分配5μA ，即I 1=5μA ① $ ② 确定VREF 的值 断开反馈回路，用理想电流源I SS 代替I 2。当I SS =5μA 时，对电路进行直流温度扫描，扫描区间从-40℃-200℃，步长1℃，观察三极管Q 0的V EB 。 140℃时，V EB =。所以初步设定V REF =。 ③ 确定反馈抽取电流I2 断开反馈回路，用理想电流源I SS 代替I 2。对I SS 进行参数扫描，观察V EB =所对应的温度。 I SS =1μA ～5μA ，步长1μA ： I SS =1μA T=℃ $ I SS =2μA T=℃ I SS =1μA ～2μA ，步长μA ： I SS =μA T=℃ I SS =μA T=℃ I SS =μA ～μA ，步长μA ： I SS =μA T=℃ I SS =μA T=℃ 所以，初步确定反馈抽取的电流I 2=5μA μA=μA ( 从而可以确定M 18管与M 22管的宽长比 18 22() 3.485()W L W L = 若管子M 22的宽长比取为2，沟道长度取1μA ，并联管字数取为4，即Wn=2μA ，Ln= 1μA ，Mutiply=4，则M 18的宽长比取为2，沟道长度取1μA ，并联管子数取为3，即Wn=2μA ，Ln= 1μA ，Mutiply=3 ④ 作为电流镜的管子的参数选取 由于每条支路的电流都相等，所以相关的管子参数取成相同即可。 N 型管子（M 21，M 22）：Wn=2μA ，Ln= 1μA ，Mutiply=4； P 型管子（M 9，M 10）：Wp=1μA ，Lp=μA ，Mutiply=2； 、 低压共源共栅电流镜的管子（M 1～M 6）：Wp=20μA ，Lp=μA ，Mutiply=1； 为低压共源共栅电流镜提供偏置的管子（M 7，M 8）：Wp=20μA ，Lp=μA ，Mutiply=1； 共源共栅电流镜的管子（M 14，M 19）：M 19的参数与M 22相同， M 14的参数可取Wn=10μA ，Ln= 1μA ，Mutiply=1； 为共源共栅电流镜提供偏置的管子（M 15，M 20）：M 15参数可与M 14取成相同，M22与M19取成相同，将M 14的栅压偏置为V GS20+V GS15。 ⑤ 两级运放的参数选取 第一级（M 11、M 12、M 16、M 17）：M 11、M 12,Wn=40μA ，Ln= 1μA ，Mutiply=1；M 116、M 117,Wn=20μA ，Ln= 1μA ，Mutiply=1； 第二级(M 0,M 1,M 2):M 0的参数确定应依据反相器的输入特性，满足 % 0OD IL V V < 12DD OD OD IH V V V V --> M 0的参数取为Wn=80μA ，Ln= 1μA ，Mutiply=1； M 1、M 2参数取为Wp=20μA ，Lp=μA ，Mutiply=1； ⑥ 反馈回路参数确定 M 18的参数已根据反馈回路抽取的电流确定；M 13的参数确定应依据反相器的输出特性，满足 3413||DD OD OD GS OL V V V V V ---> \ 3413||DD OD OD TH OH V V V V V ---< M 13的参数可取Wn=10μA ，Ln= 1μA ，Mutiply=1； 第二部分 电流源设计 一．电流源电路原理 、 设计电路图如下 ` 图3.电流源实际电路 首先由1,2支路产生PTAT 电流，经过3支路产生基准电压，再由4支路转换为基准电流。5,6支路为4支路电流的镜像。 由于X,Y 点电位以及1,2支路电流相等，则： 12 12 1ln ln T T s s I I n V V IR I I ?? ?=+ ? ?? ? （1） 解得1,2支路电流（PTAT 电流）为： 121 ln T V n I R = （2） M 0 M 1 M 11 M 6 M 9 M 5 M 4 < M 3 M 2 、 M 14 M 13 M 12 M 10 M 8 M 7 Q 2 Q 1 Q 0 R 2 R 3 R 4 R 1 对晶体管： ()3 34g BE T BE T E V m V I V V q T T I T -+- ??=+ ??（3） ` 节点M 电压为： 32M BE V I R V =+（4） 因此只要I 3为正的温度系数，V BE 为负的温度系数，调节R 2则在一定温度范围内V M 的温度系数可以很小（这里忽略电阻温度系数）。 调节支路3，4MOS 管的宽长比，可使N 电位与M 点相同则4支路电流： 43 MN V I R = （5） I 4即为温度系数很小的电流，注意到I 12与电压源无关，则得到的I 4也于电压源无关，这样再由电流镜镜像可得到不同电流值的基准电流。 二．器件参数估算： ○ 1电流分配： * 整体静态电流指标：（VDD=~，全典型模型，Temp=27℃条件下）<60μA ，由于电流源要输出10μA 电流剩下50μA 分配20μA 给电流源电路，剩下30μA 给过温保护电路。 除去启动电路与输出电路，电流源电路还有5条支路，初步给每条支路分配4μA 电流。 即：12344I I I A μ=== ○2参数计算（300K ）： 初步取n=8，由（2）式： 1 0.026ln 8 46e R -= （6） 则：113.5R K =Ω 对1，2支路电流有： 。 ()2121,2 12p ox GS TH W I C V V L μ?? =- ???（7） 查晶体管模型参数计算得到： 7.1385p ox C e μ=-（8） 1.24n ox C e μ=-（9） 带入（7）式得： ()21467.13852GS TH W e e V V L ?? -=?-??- ??? （10） 考虑到时电路正常工作，取过驱动电压为，则由（10）解得： 710 p W L ??= ? ??（11） 《 由M 点温度系数为零，即： 2 ln 0BE V k n T qR ?+=?（12） 带入各参数求得： 2100.35R k =Ω（13） 34 215.65MN V R k I = =Ω（14） 由于各个支路分配电流相等，因此可使3,4支路MOS 管宽长比与1,2支路相同。 对于n 管选取： 12n W L ??= ???（15） ~ 第三部分 仿真结果与分析验证 过温保护指标MOS、 RES BJT V DD= 所列 5 中模型下满足： 1）升温翻转温度： (160±5)℃ 2）降温翻转温度： (140±5)℃ tt t t ss| s s ff f f sf f f fs t t 按照以上设计的电路，用HSPICE软件对其进行仿真，器件模型参数采用μM的CMOS工艺。仿真结果如下。 1.整体静态工作电流 整体静态工作电流大致可分为三个区间 V DD =0～1V,截止区，总静态工作电流为0； V DD =1～,线性区，总静态工作电流快速线性增长； V DD =～,工作区，总静态工作电流比较稳定，随电压的增加缓慢增长。 在工作区，总的静态电流I Q =48～58μA，基本满足设计要求（<60μA）。 2.电流源温度特性 虽然电流源随温度增涨近似线性的增加，但是变化率很小 10.29.150.01/1000o REF o o I A A A C T C C μμμ?-=≈?- 所以，可以看成是与温度无关的电流源. V DD =，全典型模型，TeMp=－40℃~125℃,I REF =～μA,可见电流温度特性非常稳定，符合设计要求（I REF =10±2μA）。 3. 电流源电压特性 电流源随电压变化大致可分为三个区间 V DD =0～1V,截止区，I REF 为0； V DD =1～,线性区，I REF 快速线性增长； V DD =～,工作区，I REF 比较稳定，随电压的增加缓慢增长。 在工作区， I REF =9～μA ，基本满足设计要求（I REF =10±2μA）。 4. 整体电路工艺稳定性 如图所示整体电路工艺稳定性比较好，取不同的工艺角进行仿真时，上升翻转温度为158～162℃，符合设计要求（160±5℃)；下降翻转温度为139～142℃，符合设计要求（140±5℃)。 第四部分 设计总结 我们在设计的过程中将温度保护的参考电路进行了修改，将反馈回路改为直接抽取三极管发射极的电流，这样差动放大器上的两个电阻也可以去除，使电路原理更加简单而且简化了电路。另外，通过将反馈回路M 管改为N管(参考电路为 13 P管)，节省了一个反相器。这样不仅结构简单，工艺上容易实现，而且对电源电压、工艺参数变化引起的温度阈值的漂移具有较强的抑制能力。HSPICE仿真结果表明，该电路关断和恢复阈值点准确，迟滞的大小可以调节，很好的实现了过温保护的功能，各项指标完全满足设计要求。 在此次设计中，我们也遇到了很多困难。一些基础知识掌握的不是很牢固，手工计算的结果与仿真的结果差距比较大。在温度保护电路中起初我们对于迟滞比较器的反馈电路的原理无法理解，通过讨论仍然无法解决，我们认为这是设计中最关键的问题，而电流源部分由于带隙基准学过，也做过CAD实验，所以认为问题不大。可是实际情况与预料的恰恰相反。迟滞比较器的反馈部分通过改变电路结构一下解决了，但电流源却一直调试不出。原以为不是很重要的启动电路部分，大大影响了电流源的性能。所以最后我们只能抽出两人调电流源。最后在大家通力合作下终于完成了。可见设计是一个整体，电路的任何一个我们看来不重要的部分都会影响整体的性能。一个部分性能的非常突出，对整体性能的影响不大；但如果一个地方性能不好，整体的性能都会变差。所以模拟电路设计不是要把一个部分做的最好，而是将各个部分协调好；不是把一个指标做到最好，而是将各个指标协调好，都满足设计要求即可，有时不能追求尽善尽美。另外，也体会到了合作的重要性。温度保护电路调好后，由于电流源还没调好，所以无法进行最终调试。由于电流是否稳定会大大影响翻转电平的稳定，所以一环扣一环，无法进行最后调试，就不能最终调试温度保护电路。所以我们体会到了团队合作的重要性。这意味着我们的工作不仅影响他人的工作，更加基于他人的工作。 参考文献： [1]季汝敏，沈磊，杨跃.一种CMOS过温保护电路的设计,四川省电子学会半导体与集成技术专委会2007年度学术年会论文集，2007 [2] Behzad Razavl．模拟CMOS集成电路设计，西安，西安交通大学出版社，2003：74． 交流电源过压、欠压保护电路 一、设计任务 a）设计说明 某些用电设备对输入电压有一定的要求，电网正常工作时，用电设备接通电源，电网电压波动超过正负10%时，自动切断电源，停止工作。 设计要求 1）要求利用实验台和所学过的模拟电子技术的知识，实际该装置。 2）输入市电。 3）使用运算放大器构成比较器。 4）电源工作正常，绿色发光二极管亮，电源过压、欠压，红色发光二极管亮。 二、设计要求 1.根据设计指标要求进行预设计，确定电路形式估算元件参数并选择元器件。 2.进行指标核算，根据设计的电路利用理论公式，核算有关指标能否达到设计要求。 3.按时提交课程设计报告，画出设计电路图，交一份A3图纸，完成相应答辩。 三、参考书籍 《模拟电子技术基础》（第四版）童诗白，华成英高等教育出版社 2006； 《电工电子实验与课程设计指导》朱小龙，梁秀荣中国矿业大学出版社 2013； 《电子技术实验与课程设计》毕满青机械工业出版社2006； 《Multisim 10 虚拟仿真和业余制版使用技术》黄培根电子工业出版社 2008. 目录 一、前言 (4) 二、方案论证 (5) 三、电路工作原理及说明 (6) 3.1整流滤波电路 (6) 3.2比较器电路 (8) 3.3执行电路 (11) 四、电路仿真 (12) 五、设计心得 (14) 附录一 (17) 附录二 (18) 参考文献 (19) 一、前言 随着微控技术的日益完善和发展，在工业控制中，用电设备通常工作至三相电源中，而很多用电设备在使用中对相应提供的工作电源有着较高的要求。但通常电网产生的电压偏高(是指给定的瞬间设备端电压U与设备额定电压Un之差)，以及大功率电动机的起动，电焊机的工作，特别是大型电弧炉和大型轧钢机冲击性负荷的工作，均会引起负荷的急剧变动，使电网电压损耗随之产生相应变动，从而使用户公共供电点的电压出现波动现象。而上述情况所造成的电压波动，又会给用电设备造成不应有的过压、欠压现象。如长时间供给用电设备，则会极大的损坏用电设备。所以在用电设备使用中，会加入相应的保护电路，以保证用电设备在正常的供电状态下使用。当供电线路出现过、欠压时，保护电路进行有效保护，从而确保用电设备安全正常运行。 信号口浪涌防护电路设计 通讯设备的外连线和接口线都有可能遭受雷击（直接雷击或感应雷击），比如交流供电线、用户线、ISDN接口线、中继线、天馈线等，所以这些外连线和接口线均应采取雷击保护措施。 设计信号口防雷电路应注意以下几点： 1、防雷电路的输出残压值必须比被防护电路自身能够耐受的过电压峰值低，并有一定裕量。 2、防雷电路应有足够的冲击通流能力和响应速度。 3、信号防雷电路应满足相应接口信号传输速率及带宽的需求，且接口与被保护设备兼容。 4、信号防雷电路要考虑阻抗匹配的问题。 5、信号防雷电路的插损应满足通信系统的要求。 6、对于信号回路的峰值电压防护电路不应动作，通常在信号回路中，防护电路的动作电压是信号回路的峰值电压的1.3～1.6倍。 1.1网口防雷电路 网口的防雷可以采用两种思路：一种思路是要给雷电电流以泄放通路，把高压在变压器之前泄放掉，尽可能减少对变压器影响，同时注意减少共模过电压转为差模过电压的可能性。另一种思路是利用变压器的绝缘耐压，通过良好的器件选型与PCB设计将高压隔离在变压器的初级，从而实现对接口的隔离保护。下面的室外走线网口防雷电路和室内走线网口防雷电路就分别采用的是这两种思路。 1.1.1室外走线网口防雷电路 设计。1当有可能室外走线时，端口的防护等级要求较高，防护电路可以按图 R1TX组合式G1PE，低节电容TVS R2 R3组合式RXG2PE，低节电容TVS R4a 变/22.23R097CXTXUNUSESLVU2.8-UNUSE10/10TXTXENTERNERX PH RXUNUSETXUNUSERX RJ47777RXVCVCCGND b 1 室外走线网口防护电路图从图中可以看出该电路的结构与室给出的是室外走线网口防护电路的基本原理图，图1aTVS口防雷电路类似。共模防护通过气体放电管实现，差模防护通过气体放电管和外走线E1它可以同时是三极气体放电管，，型号是3R097CXAG1管组成的二级防护电路实现。图中和G2使电阻，/2W起到两信号线间的差模保护和两线对地的共模保护效果。中间的退耦选用2.2Ω防雷性能电阻值在保证信号传输的前提下尽可能往大选取，前后级防护电路能够相互配合，因为网口传输速率高，在网口防雷TVS后级防护用的管，Ω。会更好，但电阻值不能小于2.21b图。SLVU2.8-4这里推荐的器件型号为管需要具有更低的结电容，TVS电路中应用的组合式 就是采用上述器件网口部分的详细原理图。 三极气体放电管的中间一极接保护地PGND，要保证设备的工作地GND和保护地PGND通过PCB走线在母板或通过电缆在结构体上汇合（不能通过0Ω电阻或电容），这样才能减小GND和PGND的电位差，使防雷电路发挥保护作用。 电路设计需要注意RJ45接头到三极气体放电管的PCB走线加粗到40mil，走线布在TOP层或BOTTOM层。若单层不能布这么粗的线，可采取两层或三层走线的方式来满足走线的宽度。退耦 新疆大学 课程设计报告 所属院系：科学技术学院 专业：电气工程及其自动化 课程名称：电子技术基础上 设计题目：过电压保护电路设计 班级：电气14-1 学生姓名：庞浩 学生学号：20142450007 指导老师: 常翠宁 完成日期：2016. 6. 30 1．双向二极管限幅电路 图2 经典过电压保护电路 经典过电压保护电路虽然有许多优点，但是由于Multisim 12.0中无法找到元件 MAX6495,无法进行仿真，所以不选用该方案。 3．智能家电过电压保护电路 电路原理：该装置工作原理见图，电容器C1将220V 交流市电降压限流后，由二极管1D V 、 2D V 整流，电容器2C 担任滤波，得到12V 左右的直流电压。当电网电压正常时， 稳压二极管VDW 不能被击穿导通，此时三极管VT 处于截止状态，双向可控硅VS 受到电压触发面导通，插在插座XS 中的家电通电工作。（图3） 图3 智能家电过压保护电路 如果电网电压突然升高，超过250V ，此时在RP 中点的电压就导致VDW 击穿导通，VDW 导通后，又使得三极管VT 导通，VT 导通后，其集电极—发射极的压降很小，不足以触发VS ，又导致VS 截止，因此插座XS 中的家电断电停止工作，因而起到了保护的目的。一旦电网电压下降，VT 又截止，VT 的集电极电位升高，又触发VS 导通，家电得电继续工作。 R 电阻5.1K1，RP 电位器15K 选用多圈精密电位器1，C1金属化纸介电容0.47uF 耐压≥400V1，C2电解电容100uF/25V1，1D V 、 2D V 整流二极管IN40072，VDW 稳压二极管 12V 的2CW121，VT 晶体三极管3DA87C 、3DG12等1，VS 双向可控硅6—10A 耐压≥600V1，CZ 电源插座10A 250V1 该装置的调试十分简单，当电网电压为220V 时，调整RP ，使VDW 不击穿，当电压升高至250V ，VT 饱和导通即可，调试时用一调压变压器来模拟市电的变化更方便。 优点：能够保护家用电器避免高电压的冲击带来的伤害，、 缺点：需要购买二极管，NPN 型BJT 以及双向可控硅VS ，不太经济。 电子技术课程设计 题目： 班级： 姓名： 合作者： 数字电子钟计时系统 一、设计要求 用中、小规模集成电路设计一台能显示时、分、秒的数字电子钟，基本要求如下： 1、采用LED显示累计时间“时”、“分”、“秒”。 2、具有校时功能。 二、设计方案 数字电子钟主要由振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器等几部分组成，其整体框图为 其中，秒信号发生器为： 由石英晶体发出32768Hz的振荡信号经过分频器，即CD4060——14级串行二进制计数器/分频器和振荡器，输出2Hz 的振荡信号传入D触发器，经过2分频变为秒信号输出。 校时电路为： 当K1开启时，与非门一端为秒信号另一端为高电位，输出即为秒信号秒计数器正常工作，当K1闭合，秒信号输出总为0，实现秒暂停。 当K2/K3开启时，分信号/时信号输入由秒计数器输出信号及高电平决定，所以输出信号即为分信号/时信号，当K2/K3闭合时，秒信号决定分信号/时信号输出，分信号/时信号输出与秒信号频率一致， 以实现分信号/时信号的加速校时。 秒、分计数器——60进制 首先，调节CD4029的使能端，使其为十进制加法计数器。将输入信号脉冲输入第一个 计数器（个位计数器）计十个数之后将，进位输出输给下一个计数器（十位计数器）的进位 输入实现十秒计数。当计数器的Q1，Q2输出均为1时经过与门电路，输出高电平，作为分 脉冲或时脉冲并同时使两计数器置零。 时计数器——24进制 时脉冲 首先，调节CD4029的使能端，使其为十进制加法计数器。将输入信号脉冲输入第一个 计数器（个位计数器）计十个数之后将，进位输出输给下一个计数器（十位计数器）的进位 输入实现十秒计数。当十位计数器Q1和个位计数器Q2输出均为1时经过与门电路，输出 高电平使两计数器置零。 译码显示电路 设计性实验：交流电源过压、欠压保护电路 一、实验目的 1、学习使用运算放大器构成比较器。 2、学习元件的选择及用万用表检测电子器件。 3、学会电路调试技术。 二、实验设备与器件 1、函数信号发生器 2、双踪示波器 3、交流毫伏表 4、数字万用表 5、元件自选 三、设计要求 a) 设计说明 某些用电设备对输入电压有一定的要求，电网工作正常时，用电设备接通电源，电网电压波动超过正负10%时，自动切断电源，停止工作。 b)设计要求 1）要求利用实验台和所学过的模拟电子技术的知识，实际该装置。 2）输入市电。 3）使用运算放大器构成比较器。 4）电源工作正常，绿色发光二极管亮，电源过压、欠压，红色发光二极管亮。 四、设计提示 实验的原理框图如图1所示。市电经整流滤波后加入比较器电路，电网电压在正常范围时，执行电路将常开触点J闭合，用电设备通电；当电网电压波动超过正负10％时，触点Ｊ断开。切断电源，用电设备停止工作。 图1 交流电源过压、欠压保护电路原理框图 利用实验装置似的交流变压输出的14、16、18V端点模拟电网电压的变化。用 16V模拟电网电压工作在正常范围，用14V和18V模拟电网电压波动超出正负10％状态。 参考电路 参考电路如图2所示。图中VO点电位与输入的电网电压有关，其整流滤波后的VO与两个直流参考电压VH（高）及VL（低）在两个比较器A、B中进行比较，比较器输出电压VA、VB经二极管D5、D6组成的与门判别电路给晶体管放大电路，驱动执行电路工作，（图中右侧驱动电路部分模拟供电情况）。 图2 交流电源过压、欠压保护电路原理线路 ●电路的调试：①首先将741运放调零。 ②将整流滤波电路的K点接交流变压输出16V，调RP3使VO为4V左右， 代表正常电压范围。 ③调RP2略高于VO值（不能高于K点接交流变压输出18V时VO值）。 ④调RP1略低于VO值（不能低于K点接交流变压输出14V时VO值）。 ⑤测试VA、VB为高电平输出。⑥ K在14V时VB为低电位、VA不变。 ⑦ K在18V时VA为低电位、VB不变。 ⑧观察模拟供电情况，K点接交流变压输出16V时，绿灯亮，K点接交流 变压输出14V或18V时，红灯亮。 五、实验报告 １、独立设计、组装、调试交流电源过压、欠压保护电路。 ２、写出实验的心得、体会。 过流保护电路如上图所示。此电路是过流保护电路，其中100kΩ电阻用来限流，通过比较器LM311 对电流互感器采样转化的电压进行比较，LM311的3脚接一10kΩ电位器来调比较基准电压，输出后接一100Ω的电阻限流它与后面的220μF的电容形成保护时间控制。当电流过流时比较器输出是高电平产生保护，使SPWM不输出，控制场效应管关闭，等故障消除，比较器输出低电平，逆变器又自动恢复工作。 1.第一个部分是电阻取样...负载和R1串联...大家都知道.串联的电流相等...R2上的电压随着负载的电流变化而变化...电流大,R2两端电压也高...R3 D1组成运放保护电路...防止过高的电压进入运放导致运放损坏...C1是防止干扰用的... 2.第二部分是一个大家相当熟悉的同相放大器...由于前级的电阻取样的信号很小...所以得要用放大电 路放大.才能用...放大倍数由VR1 R4决定... 3.第三部分是一个比较器电路...放大器把取样的信号放大...然后经过这级比较...从而去控制后级的动作...是否切断电源或别的操作...比较器是开路输出.所以要加上上位电阻...不然无法输出高电平... 4.第四部分是一个驱动继电器的电路...这个电路和一般所不同的是...这个是一个自锁电路... 一段保护 信号过来后...这个电路就会一直工作...直到断掉电源再开机...这个自锁电路结构和单向可控硅差不多. 1 采用电流传感器进行电流检测过流检测传感器的工作原理如图1所示。通过变流器所获得的变流器次级电流经I／V转换成电压，该电压直流化后，由电压比较器与设定值相比较，若直流电压大于设定值，则发出辨别信号。但是这种检测传感器一般多用于监视感应电源的负载电流，为此需采取如下措施。由于感应电源启动时，启动电流为额定值的数倍，与启动结束时的电流相比大得多，所以在单纯监视电流电瓶的情况下，感应电源启动时应得到必要的输出信号，必须用定时器设定禁止时间，使感应电源启动结束前不输出不必要的信号，定时结束后，转入预定的监视状态。 2 启动浪涌电流限制电路开关电源在加电时，会产生较高的浪涌电流，因此必须在电源的输入端安装防止浪涌电流的软启动装置，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出较低的阻抗。如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近数百A。 开关电源的输入一般采用电容整流滤波电路如图2所示，滤波电容C可选用低频或高频电容器，若用低频电容器则需并联同容量高频电容器来承担充放电电流。图中在整流和滤波之间串入的限流电阻Rsc是为了防止浪涌电流的冲击。合闸时Rsc限制了电容C的充电电流，经过一段时间，C上的电压达到预置值或电容C1上电压达到继电器T动作电压时，Rsc被短路完成了启动。同时还可以采用可控硅等电路来短接Rsc。当合闸时，由于可控硅截止，通过Rsc对电容C进行充电，经一段时间后，触发可控硅导通，从而短接了限流电阻Rsc。 3 采用基极驱动电路的限流电路在一般情况下，利用基极驱动电路将电源的控制电路和开关晶体管隔离开。控制电路与输出电路共地，限流电路可以直接与输出电路连接，工作原理如图3所示，当输出过载或者短路时，V1导通，R3两端电压增大，并与比较器反相端的基准电压比较。控制PWM信号通断。 4 通过检测IGBT的Vce 当电源输出过载或者短路时，IGBT的Vce值则变大，根据此原理可以对电路采取保护措施。对此通常使用专用的驱动器EXB841，其内部电路能够很好地完成降栅以及软关断，并具有内部延迟功能，可以消除干扰产生的误动作。其工作原理如图4所示，含有IGBT过流信息的Vce不直接发送到EXB841 的集电极电压监视脚6，而是经快速恢复二极管VD1，通过比较器IC1输出接到EXB841的脚6，从而消除正向压降随电流不同而异的情况，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。假如发生了过流，驱动器：EXB841的低速切断电路会缓慢关断IGBT，从而避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。 为避免在使用中因非正常原因造成输出短路或过载，致使调整管流过很大的电流，使之损坏。故需有快速保护措施。过流保护电路有限流型和截流型两种。 限流型：当调整管的电流超过额定值时，对调整管的基极电流进行分流，使发射极电流不至于过大。图4-2为其简要电路图。图中R为一小电阻，用于检测负载电流。当IL不超过额定值时，T1、截止；当IL 超过额定值时，T'1导通，其集电极从T1的基极分流。从而实现对T1管的保护 直流电源过电压、欠电压及过流保护电路 该保护电路在直流电源输入电压大于30V或小于18V或负载电 流超过35A时，晶闸管都将被触发导 通，致使断路器QF跳闸。图中，YR 为断路器QF的脱扣线圈；KI为过电 流继电器。 带过流保护的电动自行车无级调速电路 图中，RC为补偿网络，以改善电动机的力矩特性。具体数值由实验决定。 电路如图16-91所示。它适用于电动自行车或电动三轮车。调节电位器RP，可改变由555 时基集成电路A组成的方波发生器的方波占空比，达到调速的目的。Rs是过电流取样电 阻，当电动机过载时，Rs上的压降增大，使三极管VTz导通，触发双向晶闸管V导通，分 流了部分负载，从而保护了功率管VTi。 过流保护用电子保险的制作电路图 本电路适用于直流供电过流保护，如各种电池供电的场合。 如果负载电流超过预设值，该电子保险将断开直流负载。重置电路时，只需把电源关掉，然后再接通。该电路有两个联接点(A、B标记)，可以连接在负载的任意一边。 负载电流流过三极管T4、电阻R10和R11。A、B端的电压与负载电流成正比，大多数的电压分配在电阻上。当电源刚刚接通时，全部电源电压加在保险上。三极管T2由R4的电流导通，其集电极的电流值由下式确定：VD4=VR7+0.6。因为D4上的电压(VD4)和R7上的电压(VR7)是恒定的，所以T2的集电极电流也是恒定。该三极管提供稳定的基极电流给T3，因而使其导通，接着又提供稳定的基极电流给T4。保险导电，负载有电流流过。当电源刚接通时，电容器C1提供一段延时，从而避免T1导电和保持T2断开。 保险上的电压(VAB)通常小于2V，具体值取决于负载电流。当负载电流增大时，该电压升高，并且在二极管D4导通时，达到分流部分T2的基极电流，T2的集电极电流因而受到限制。由此，保险上的电压进一步增大，直到大约4.5V，齐纳二极管D1击穿，使T1导通，T2便截止，这使得T3和T4也截止，此时保险上的电压增大，并且产生正反馈，使这些三极管保持截止状态。 C1的作用是给出一段短时延迟，以便保险可以控制短时过载，如象白炽灯的开关电流，或直流电机的启动电流。因此，改变C1的值可以改变延迟时间的长短。该电路的电压范围是10～36V的直流电，延迟时间大约0.1秒。对于电路中给出的元件值，负载电流限制为1A。通过改变元件值，负载电流可以达到10mA～40A。选择合适额定值的元件，电路的工作电压可以达到6～500V。通过利用一个整流电桥(如下面的电源电路)，该保险也可以用于交流电路。电容器C2提供保险端的瞬时电压保护。二极管D2避免当保险上的电压很低时，C1经过负载放电。 过压过流保护器电路图 当电源供给电压或负载吸取的电流太大时，下图电路可断开负载给出故障指示。 正常工作时，Tr1和Tr2均截止，555复位，555中的放电晶体管导通，它从Tr3基极吸取电流，使Tr3处开饱和，电源5～12V便直接送主负载。当负载吸取电流超过规定值时，Rsc上压降增加，使Tr1导通，555被触发，于是内部放电晶体管截止，跟着Tr3也截止，将电源与负载隔离，这时555处于单稳状态，单稳时间一到，只要负载过流现象不排除，555又重新触发，Tr3继续将负载隔离。 常用数字仪表的使用 实验内容： 1.参考“仪器操作指南”之“DS1000操作演示”，熟悉示数字波器的使用。 2.测试示波器校正信号如下参数：（请注意该信号测试时将耦合方式设置为直流耦合。 峰峰值（Vpp），最大值（Vmax），最小值（Vmin）， 幅值（Vamp），周期（Prd），频率（Freq） 顶端值（Vtop），底端值（Vbase），过冲（Overshoot）, 预冲（Preshoot），平均值（Average），均方根值（Vrms），即有效值 上升时间（RiseTime），下降时间（FallTime），正脉宽（+Width）, 负脉宽（-Width），正占空比（+Duty），负占空比（-Duty）等参数。 3.TTL输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低 电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V。 请采用函数信号发生器输出一个TTL信号，要求满足如下条件： ①输出高电平为3.5V，低电平为0V的一个方波信号； ②信号频率1000Hz； 在示波器上观测该信号并记录波形数据。 集成逻辑门测试（含4个实验项目） （本实验内容选作） 一、实验目的 （1）深刻理解集成逻辑门主要参数的含义和功能。 （2）熟悉TTL 与非门和CMOS 或非门主要参数的测试方法，并通过功能测试判断器件好坏。 二、实验设备与器件 本实验设备与器件分别是： 实验设备：自制数字实验平台、双踪示波器、直流稳压电源、数字频率计、数字万用表及工具； 实验器件：74LS20两片，CC4001一片，500Ω左右电阻和10k Ω左右电阻各一只。 三、实验项目 1．TTL 与非门逻辑功能测试 按表1-1的要求测74LS20逻辑功能，将测试结果填入与非门功能测试表中（测试F=1、0时，V OH 与V OL 的值）。 2．TTL 与非门直流参数的测试 测试时取电源电压V CC =5V ；注意电流表档次，所选量程应大于器件电参数规范值。 （1）导通电源电流I CCL 。测试条件：输入端均悬空，输出端空载。测试电路按图1-1（a ）连接。 （2）低电平输入电流I iL 。测试条件：被测输入端通过电流表接地，其余输入端悬空，输出空载。测试电路按图1-1（b ）连接。 （3）高电平输入电流I iH 。测试条件：被测输入端通过电流表接电源（电压V CC ），其余输入端均接地，输出空载。测试电路按图1-1（c ）连接。 （4）电压传输特性。测试电路按图1-2连接。按表1-2所列各输入电压值逐点进行测量，各输入电压值通过调节电位器W 取得。将测试结果在表1-2中记录，并根据实测数据，做出电压传输特性曲线。然后，从曲线上读出V OH ，V OL ，V on ，V off 和V T ，并计算V NH ，V NL 等参数。 表1-1 与非门功能测试表 开关电源保护电路实例详细分析 输入欠压保护电路 1、输入欠压保护电路一 概述（电路类别、实现主要功能描述）： 该电路属于输入欠压电路，当输入电压低于保护电压时拉低控制芯片的供电Vcc，从而关闭输出。 电路组成（原理图）： 工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理): 当电源输入电压高于欠压保护设定点时，A点电压高于U4的Vref，U4导通，B点电压为低电平，Q4导通，Vcc供电正常；当输入电压低于保护电压时，A点电压低于U4的Vref，U4截止，B点电压为高电平，Q4截止，从而Vcc没有电压，此时Vref也为低电平，当输入电压逐渐升高时，A点电压也逐渐升高，当高于U4的Vref，模块又正常工作。R4可以设定欠压保护点的回差。 电路的优缺点 该电路的优点：电路简单，保护点精确 缺点：成本较高。 应用的注意事项： 使用时注意R1，R2的取值，有时候需要两个电阻并联才能得到需要的保护点。还需要注意R1，R2的温度系数，否则高低温时，欠压保护点相差较大。 2、输入欠压保护电路二 概述（电路类别、实现主要功能描述）： 输入欠压保护电路。当输入电压低于设定欠压值时，关闭输出；当输入电压升高到设定恢复值时，输出自动恢复正常。 电路组成（原理图）： 工作原理分析(主要功能、性能指标及实现原理): 输入电压在正常工作范围内时， Va大于VD4的稳压值，VT4导通，Vb为0电位，VT5截止，此时保护电路不起作用；当输入电压低于设定欠压值时，Va小于VD4的稳压值，VT4截止，Vb为高电位，VT5导通，将COMP（芯片的1脚）拉到0电位，芯片关闭输出，从而实现了欠压保护功能。 R21、VT6、R23组成欠压关断、恢复时的回差电路。当欠压关断时,VT6导通，将R21与R2并联， ；恢复时，VT6截止，， 回差电压即为(Vin’-Vin)。 电路的优缺点 优点：电路形式简单，成本较低。 缺点：因稳压管VD4批次间稳压值的差异，导致欠压保护点上下浮动，大批量生产时需经常调试相关参数。 应用的注意事项： VD4应该选温度系数较好的稳压管，需调试的元件如R2应考虑多个并联以方便调试 输出过压保护电路 1、输出过压保护电路一 概述（电路类别、实现主要功能描述）： 输出过压保护电路。当有高于正常输出电压范围的外加电压加到输出端或电路本身故障（开环或其他）导致输出电压高于稳压值时，此电路会将输出电压钳位在设定值。 电路组成（原理图）： 车载ECU的安全性能要求很高，在电气、物理、化学等各方面，各大汽车厂商通常都有自己严格的标准。一般情况下，车载ECU的外部接口都要有各种故障保护电路，其中最重要的莫过于对车载12V电源或对地发生短路时的保护电路。由于USB接口可以直接输出5伏电源，所以短路保护显得尤为重要。本文设计的保护电路可以实现对USB电源输出线的有效保护，无论USB电源输出线VBUS发生对12V电源还是对地短路，均不影响车载ECU内部电路的正常工作，实现了本质安全级的短路保护。 1、前言 为了保证行车安全，车载ECU的安全性能要求很高，在设计时便要保证故障发生率尽量低。作为目前应用最为广泛的移动外设与主机间通讯接口，USB（Universal Serial Bus）具有成本低、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，在车载娱乐和存储设备上获得了广泛的应用。因为USB接口提供了内置电源，可提供 500mA以上的电流，对于一些功率较大的设备，如移动硬盘等，其瞬时驱动电流则可达到1A以上。如果车载ECU上带有像USB总线这种可以直接输出电源的接口，为防止接口电路发生对电源或对地短路时损坏机体，其接口部分通常都应具有保护电路，以便执行故障自诊断和保护功能。当系统产生故障时，它能在存储体中自动记录故障代码并采用保护措施，防止系统损坏，避免引起安全事故。 2、电路设计 利用比较器并结合外围电路，本文设计了一种可以自动探测USB电源输出线是否发了对12V电源或地短路，并且可以在短路故障发生时自动切断电源供应的保护电路。另外，如果探测到联接设备不在支持的USB设备之列，系统也可以借助本电路主动断开电源供应，并自动根据设备的连接状态实现对电源供应的控制。具体电路如图1所示。 图1 USB VBUS短路保护电路 图中MN1和MN2是USB电源通道上的两个MOSFET，用于控制5伏电源的输出，它们的G端都连接到比较器的输出端上。比较器的正端电位值受 3.3伏和VBUS共同影响，负端电位值由Umid通过电阻分压来决定，Umid的值总是与VCC5V和VBUS中的大者相同。本充分发挥二极管的正向导通和反向截止的作用，并对MOS管中快恢复二极管加以利用，利用一个比较器便可以构成一个窗口比较器。如果VBUS上的电压落在窗口之外（例如12V供电电压或地电平），那么比较器输出低电平，关断供电线的MOS管。这样既使12V电压无法进入系统内部，也防止了系统5V供电因为对地短路而发生过流，起到了保护系统不受短路侵扰的作用。 3、功能论证 实验一组合逻辑电路设计 一、实验目的 1、熟悉应用中小规模数字集成电路的工程技术； 2、掌握组合逻辑电路的设计方法。 二、设计步骤 对于某些对象的启动／停止或者打开／闭合等一类二值控制问题（电气工程称之为乒乓控制），往往可以抽象归纳成为逻辑问题。使用数字逻辑电路实现解决这一逻辑问题的电路系统，即可实现逻辑控制。使用小规模（SSI）数字集成电路进行组合逻辑电路设计的步骤是： 1、分析实际问题进行逻辑抽象：定义输入或输出变量并进行逻辑赋值，即确定True (1)或False (0)表示的含义。在此基础上列出逻辑真值表。 2、由真值表写出逻辑函数表达式并化简为最简式。 3、按照化简后的表达式画出逻辑函数原理图。 为了降低电路成本、便于系统安装和未来维修，有经验的工程师常常设法用尽可能少的数字集成电路种类和芯片数目来实现设计。因此2，3两步骤应统筹考虑。 4、查阅集成电路手册确定电路中所使用的芯片型号和具体的引脚连 接关系。 5、正确地焊接（连接）电路，在确认无误后上电试验，测试电路的逻辑关系是否实现真值表（解决逻辑问题）。当然，这需要解决全部有关逻辑变量的状态设定和输出逻辑状态的测试问题。值得说明，一种专门测试逻辑电平的常用工具是“逻辑笔”。 三、设计要求 请设计组合逻辑电路解决如下逻辑问题： 1、某竞技运动项目设主裁判一名，副裁判两名。比赛规则是：主裁判和至少一名副裁判判定某运动员胜利，则该运动员取胜。设计实现电子裁判机。 2、某储液罐设有大小各一个补液泵和高、中、低液位传感器。三个传感器都在页面低于其监测的位置时发出信号，否则没有信号输出。由于结构上的原因，高位传感器不会出故障；其余两个传感器在液面高于其监测位置时决不会产生错误的信号输出，但却可能在故障时发不出信号来。设计电路系统实现如下控制要求：液面达到或超过高位时补液泵全停；液面低于高位而高于中位时，小泵启动工作，大泵停止；液面低于中位而高于低位时，大泵启动工作，小泵停止；液面低于低位时，大小两泵同时启动工作。在实现上述控制要求的同时给出传感器发生故障的报警信号。 用TL494制作的ATX开关电源控制电路图 过流，过压，欠压保护详解 本开头电源控制电路采用TL494(有的电源采用KA7500B,其管脚功能与TL494相同,可互换)及LM339集成电路(以下简称494和339)?494是双排16脚集成电路,工作电压7~40V?它含有由{14}脚输出的+5V基准电源,输出电压为+5V(±0.05V),最大输出电流250mA;一个频率可调的锯齿波产生电路 ATX电源的控制电路见图1?控制电路采用TL494(有的电源采用KA7500B,其管脚功能与TL494相同,可互换)及LM339集成电路(以下简称494和339)?494是双排16脚集成电路,工作电压7~40V?它含有由{14}脚输出的+5V基准电源,输出电压为+5V(±0.05V),最大输出电流250mA;一个频率可调的锯齿波产生电路,振荡频率由{5}脚外接电容及{6}脚外接电阻来决定?{13}脚为高电平时,由{8}脚及{11}脚输出双路反相(即推挽工作方式)的脉宽调制信号?本例为此种工作方式,故将{13}脚与{14}脚相连接?比较器是一种运算放大器,符号用三角形表示,它有一个同相输入端“+”;一个反相输入端“-”和一个输出端? 比较器同相端电平若高于反相端电平,则输出端输出高电平;反之输出低电平?494内的比较放大器有四个,为叙述方便,在图1中用小写字母a?b?c?d来表示?其中a是死区时间比较器?因两个作逆变工作的三极管串联后接到+310V的直流电源上,若两个三极管同时导通,就会形成对直流电源的短路?两个三极管同时导通可能发生在一个管子从截止转为导通,而另一个管子由导通转为截止的时候?因为管子在转换时有时间的延迟,截止的管子已经转为导通了,但导通的管子尚未完全转为截止,于是两个管子都呈导通状态而形成对直流电源的短路?为防止这样的事情发生,494设置了死区时间比较器a?从图1可以看出,在比较器a的反相输入端串联了一个“电源”,正极接反相端,负极接494的{4}脚?A比较器同相端输入的锯齿波信号,只有大于“电源”电压的部分才有输出,在三极管导通变为截止与截止转为导通期间,也就是死区时间,494没有脉冲输出,避免了对直流电源的短路?死区时间还可由{4}脚外接的电平来控制,{4}脚的电平上升,死区时间变宽,494输出的脉冲就变窄了,若{4}脚的电平超过了锯齿波的峰值电压,494就进入了保护状态,{8}脚和{11}脚就不输出脉冲了?494内部还有3个二输入端与门(用1?2?3表示)?两个二输入端与非门?反相器?T触发器等电路?与门是这样一种电路,只有所有的输入端都是高电平,输出端才能输出高电平;若有一个输入端为低电平,则输出端输出低电平?反相器的作用是把输入信号隔离放大后反相输出?与非门则相当于一个与门和一个反相器的组合?T触发器的作用是:每输入一个脉冲,输出端的电平就变化一次?如输出端Q为低电平,输入一个脉冲后,Q变为高电平,再输入一个脉冲,Q又回到低电平?比较器?与门?反相器?T触发器以及锯齿波振荡器及{8}脚?{11}脚输出的波形见图2?339是四比较 安阳师范学院本科学生毕业设计报告逆变器保护电路设计 作者秦文 系（院）物理与电气工程学院 专业电气工程及其自动化 年级 2008级专升本 学号 081852080 指导教师潘三博 日期 2010.06.02 成绩 学生承诺书 本人郑重承诺：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均以在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期: 论文使用授权说明 本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名: 导师签名: 日期: 逆变器保护电路设计 秦文 （安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳 455002） 摘要:本文针对SPWM逆变器工作中的安全性问题，阐述了如何利用电路实现保护复位和死区调节。在PWM三相逆变器中，由于开关管存在一定的开通和关断时间，为防止同一桥臂上两个开关器件的直通现象，控制信号中必须设定几个微秒的死区时间。尽管死区时间非常短暂，引起的输出电压误差较小，但由于开关频率较高，死区引起误差的叠加值将会引起电机负载电流的波形畸变，使电磁力矩产生较大的脉动现象，从而使动静态性能下降，降低了开关器件的实际应用效果，但是却对逆变器的安全运行意义重大。 关键词:保护电路；复位电路；死区调节 1 引言 在现在的系统中电力器件的应用也越来越广而与此同时对器件的保护也被认识了其重要性。电子器件很易被损坏，保护电路的要求也很苛刻。在工程应用中，为了使SPWM 逆变器安全地工作，需要有可靠的保护系统。一个功能完善的保护系统既要保证逆变器本身的安全运行，同时又要对负载提供可靠的保护。 随着电力电子技术的发展，功率器件如IGBT、MOSFET等广泛应用于PWM变流电路中。对于任何固态的功率开关器件来讲，都具有一定的固有开通和关断时间，对于确定的开关器件，固有开通和关断时间内输入的信号是不可控的，称为开关死区时间，它引起开关死区效应，简称为死区效应。在电压型PWM逆变电路中，为避免同一桥臂上的开关器件直通，必须插入死区时间，这势必导致输出电压的误差。该误差是谐波的重要来源，它不但增加了系统的损耗，甚至还可能造成系统失稳。 随着电力电子技术的发展,逆变器主电路、控制电路发生了较大变化,其性能不断改善,当然,保护电路也应随之作相应完善。逆变器保护电路主要包括过压保护、过载(过流) 保护、过热保护等几个方面。 本文仅就保护复位电路与死区控制电路与的实现进行了分析和研究。 2 保护电路设计 较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。 2.1 死区控制电路的结构设计 死区控制电路的电路拓扑结构如图所示，其主要功能是确保主电路中的开关管S 1、S 2 不能同时导通。死区电路的波形图如图1所示，从图中可以明显地看出开关管S 1和S 2 的驱 动信号没有使S 1与 S 2 同时导通的重叠部分，这就是两个主开关管之间存在所谓的“死区”。 而通过改变HEF4528芯片的输出信号脉宽，就可以调节驱动信号的脉宽。（具体的方式是 通过改变HEF4528芯片的外接RC电路的参数值实现的，如图2所示）如图3所示R t 、C t 的值与输出脉宽的关系在本文中，选择电位器P2的阻值为10kΩ,电容C237的容值为103pF，因此由图3可知，输出信号的脉宽大约为10μs 。 保护电路设计方法- 过电压保护 2.过电压 保护 ⑴过电 压的产生 及抑制方 法 ①过电压产生的原因 对于IGBT开关速度较高，IGBT关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块周围的接线的电感，就产生了L di/dt电压（关断浪涌电压）。 这里，以IGBT关断时的电压波形为例，介绍产生原因和抑制方法，以具体电路（均适用IGBT/FWD）为例加以说明。 为了能观测关断浪涌电压的简单电路的图6中，以斩波电路为例，在图7中示出了IGBT关断时的动作波形。 关断浪涌电压，因IGBT关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压。关断浪涌电压的峰值可用下式求出： V CESP=E d＋(-L dI c/dt) 式中dl c/dt为关断时的集电极电流变化率的最大值；V CESP为超过IGBT的C-E间耐压(V CES)以至损坏时的电压值。 ②过电压抑制方法 作为过电压产生主要因素的关断浪涌电压的抑制方法有如下几种： 1.在IGBT中装有保护电路（=缓冲电路）可吸浪涌电压。缓冲电路的电容，采用薄膜电容，并靠近IGBT 配置，可使高频浪涌电压旁路。 2.调整IGBT的驱动电路的V CE或R C，使di/dt最小。 3.尽量将电件电容靠近IGBT安装，以减小分布电感，采用低阻抗型的电容效果更佳。 4.为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳。 ⑵缓冲电路的种类和特 缓冲电路中有全部器件紧凑安装的单独缓冲电路与直流母线间整块安装缓冲电路二类。 ①个别缓冲电路 为个别缓冲电路的代表例子，可有如下的缓冲电路 1.RC缓冲电路 2.充放电形RCD缓冲电路 3.放电阻止形RCD缓冲电路 表3中列出了每个缓冲电路的接线图。特点及主要用途。 表3 单块缓冲电路的接线圈特点及主电用途 东南大学电工电子实验中心 实验报告 课程名称：电子电路实验 第 3 次实验 实验名称：三极管放大电路设计 院（系）：吴健雄学院专业：电类强化班 姓名：梅王智汇学号：61012215 实验室: 101 实验组别： 同组人员：实验时间：2014年 5 月 4 日评定成绩：审阅教师： 实验三 三极管放大电路设计 一、实验目的 1. 掌握单级放大电路的设计、工程估算、安装和调试； 2. 了解三极管、场效应管各项基本器件参数、工作点、偏置电路、输入阻抗、输出阻抗、 增益、幅频特性等的基本概念以及测量方法； 3. 了解负反馈对放大电路特性的影响。 4. 掌握多级放大电路的设计、工程估算、安装和调试； 5. 掌握基本的模拟电路的故障检查和排除方法，深化示波器、稳压电源 、交流毫伏表、 函数发生器的使用技能训练。 二、预习思考： 1. 器件资料： 上网查询本实验所用的三极管9013的数据手册，画出三极管封装示意图，标出每个管脚的名称，将相关参数值填入下表： 2. 偏置电路： 图3-3中偏置电路的名称是什么？简单解释是如何自动调节晶体管的电流I C 以实现稳定直流工作点的作用的，如果R 1、R 2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作用，为什么？ 答：该偏置电路是分压偏置电路，利用R1，R2对电源电压进行了分压，保证了基极电压稳定为：2 12 BQ CC R U V R R = +。这样就为电路提供了稳定的工作点。就是当环境 温度升高时，I CQ ≈I EQ 增加，U EQ =I EQ R E 增大，由于U BQ 的基本固定，U BEQ =U BQ -U EQ 减小,又使I EQ 减小，抑制I CQ 增加，通过这样的自动调节就稳定了静态工作点。 如果R1，R2取值过大，以至于接近输入电阻R i ，就会导致流入基极的电流不可忽略，工作点不稳定。 3. 电压增益： 以下是电源系统SPD选择的要点： 欧阳学文 1、根据被保护线路制式，例如：单相220V、三相 220/380V TNC/TNS/TT等，选择合适制式SPD 2、根据被保护设备的耐冲击电压水平，选择SPD的电压保护水平Up。一般终端设备的耐冲击电压1.5kV，具体可参照GB 503435.4。Up值小于其耐冲击电压即可。 3、根据线路引入方式，有无因直击雷击中而传到雷电流的风险，选择一级或者二级SPD。一级SPD是有雷电流泄放参数的10/350波形的。 4、根据GB 500576.3.4里的分流计算，计算线路所需的泄放电流强度，选择合适放电能力的SPD，需要SPD标称放电电流参数大于线路的分流电涌电流即可。 至于型号，不同厂家型号不一，没什么参考价值。建议选择知名品牌，现在防雷市场鱼龙混杂，不要贪图便宜而使用劣质产品。 浪涌保护器设计原理、特性、运用范畴 设计原理 在最常见的浪涌保护器中，都有一个称为金属氧化物变阻器（Metal Oxide Varistor，MOV）的元件，用来转移多余的电压。如下图所示，MOV将火线和地线连接在一起。MOV由三部分组成：中间是一根金属氧化物材料，由两个半导体连接着电源和地线。 这些半导体具有随着电压变化而改变的可变电阻。当电压低于某个特定值时，半导体中的电子运动将产生极高的电阻。反之，当电压超过该特定值时，电子运动会发生变化，半导体电阻会大幅降低。如果电压正常，MOV会闲在一旁。而当电压过高时，MOV可以传导大量电流，消除多余的电压。随着多余的电流经MOV转移到地线，火线电压会恢复正常，从而导致MOV的电阻再次迅速增大。按照这种方式，MOV仅转移电涌电流，同时允许标准电流继续为与浪涌保护器连接的设备供电。打个比方说，MOV的作用就类似一个压敏阀门，只有在压力过高时才会打开。 另一种常见的浪涌保护装置是气体放电管。这些气体放电管的作用与MOV相同——它们将多余的电流从火线转移到地线，通过在两根电线之间使用惰性气体作为导体实现 DKBA 华为技术有限公司企业技术规范 DKBA1268-2003.08 代替DKBA3613-2001.11防护电路设计规范 2003-11-10发布2003-11-10实施 华为技术有限公司发布 目次 前言 (6) 1范围和简介 (7) 1.1范围 (7) 1.2简介 (7) 1.3关键词 (7) 2规范性引用文件 (7) 3术语和定义 (8) 4防雷电路中的元器件 (8) 4.1气体放电管 (8) 4.2压敏电阻 (9) 4.3电压钳位型瞬态抑制二极管（TVS） (10) 4.4电压开关型瞬态抑制二极管（TSS） (11) 4.5正温度系数热敏电阻(PTC） (11) 4.6保险管、熔断器、空气开关 (12) 4.7电感、电阻、导线 (13) 4.8变压器、光耦、继电器 (14) 5端口防护概述 (15) 5.1电源防雷器的安装 (16) 5.1.1串联式防雷器 (16) 5.1.2并联式防雷器 (16) 5.2信号防雷器的接地 (18) 5.3天馈防雷器的接地 (19) 5.4防雷器正确安装的例子 (19) 6电源口防雷电路设计 (20) 6.1交流电源口防雷电路设计 (20) 6.1.1交流电源口防雷电路 (20) 6.1.2交流电源口防雷电路变型 (22) 6.2直流电源口防雷电路设计 (23) 6.2.1直流电源口防雷电路 (23) 6.2.2直流电源口防雷电路变型 (24) 7信号口防雷电路设计 (25) 7.1E1口防雷电路 (26) 7.1.1室外走线E1口防雷电路 (26) 7.1.2室内走线E1口防雷电路 (27) 7.2网口防雷电路 (31) 7.2.1室外走线网口防雷电路 (31) 7.2.2室内走线网口防雷电路 (32) 7.3E3/T3口防雷电路 (36) 7.4串行通信口防雷电路 (36) 7.4.1RS232口防雷电路 (36) 7.4.2RS422&RS485口防雷电路 (37) 7.4.3V.35接口防雷电路 (39) 7.5用户口防雷电路 (39)电源过压欠压保护电路课设报告
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