半橋電路與運放電路設計詳解 —電路圖天天讀（230）

　　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，那么當某一開關管導通時，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關斷，Q2關斷，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導通情況而浮動的，所以能夠自動的平衡每個晶體管開關的伏秒值，當浮動不滿足要求時，假設Q1、Q2具有不同的開關特性，即在相同的基極脈沖寬度t=t1下，Q1關斷較慢，Q2關斷較快，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，那么當某一開關管導通時，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，使一管子導通時，另一管子驅(qū)動在封閉狀態(tài)，直到前一個管子關斷，封閉才取消，后管才有導通的可能，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，但在大部分應用中，輸入和輸出是參考電源地的，所以設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（如AD820、AD822、AD824），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，從而為自己的設計生涯打好堅實的基礎。然后介紹了如何將雙電源運放電路改為單電源電路設計，更好了為電路設計者服務。
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