【導(dǎo)讀】本實驗活動的目標(biāo)是研究有源整流器電路。具體而言,有源整流器電路集成了運算放大器、低閾值P溝道MOSFET和反饋環(huán)路,以合成一個正向壓降低于傳統(tǒng)PN結(jié)二極管的單向電流閥或整流器。
背景知識
電源使用傳統(tǒng)二極管整流交流電壓以獲得直流電壓時,必須對某些本身效率低下的部分進行整流。標(biāo)準(zhǔn)二極管或超快速二極管在額定電流時可能具有1 V或更高的正向電壓。二極管的該正向壓降與交流電源串聯(lián),這會降低潛在的直流輸出電壓。此外,該壓降與通過二極管提供的電流的乘積意味著功耗和發(fā)熱量可能相當(dāng)大。
肖特基二極管的較低正向電壓是對標(biāo)準(zhǔn)二極管的改進。但是,肖特基二極管同樣有一個內(nèi)置的固定正向電壓。利用FET較低的傳導(dǎo)損耗,與輸入交流波形同步地主動開關(guān)MOSFET器件以模仿二極管,可以實現(xiàn)更高的效率。有源整流常被稱為同步整流,是指根據(jù)極性在交流波形的適當(dāng)時間點開關(guān)FET器件,因此它可充當(dāng)整流器,僅在所需方向上傳導(dǎo)電流。
與結(jié)型二極管的情況不同,F(xiàn)ET的傳導(dǎo)損耗取決于導(dǎo)通電阻(RDS(ON))和電流。選擇低RDS(ON)的足夠大FET可將正向壓降降低到任何二極管所能實現(xiàn)的壓降的一小部分。因此,同步整流器的損耗將比二極管低得多,有助于提高整體效率。
由于必須同步用于開關(guān)FET的柵極信號,因此相比基于二極管的整流器,電路設(shè)計更為復(fù)雜。與必須去除二極管所產(chǎn)生熱量而增加的復(fù)雜性相比,這種復(fù)雜性常常更容易處理。隨著效率要求不斷提高,很多情況下沒有比使用同步整流更好的選擇。
材料
● ADALM2000 主動學(xué)習(xí)模塊
● 無焊試驗板
● 跳線
● 一個具有軌到軌到軌輸入/輸出的 AD8541 CMOS運算放大器
● 一個ZVP2110A PMOS晶體管(或等效元件)
● 一個4.7 μF電容
● 一個220 μF電容
● 一個10 Ω電阻
● 一個2.2 kΩ電阻
● 一個47 kΩ電阻
● 一個1 kΩ電阻
說明
在試驗板上構(gòu)建圖1所示的簡易半波整流器電路。有源柵極驅(qū)動電路使用運算放大器(AD8541)檢測來自AWG輸出的交流輸入波形何時高于輸出電壓VOUT(在正值方向上),進而接通PMOS晶體管M1。該電路可以為低至運算放大器最小電源電壓(AD8541為2.7 V)或PMOS器件柵極閾值電壓(ZVP2110A典型值為1.5 V)的交流電壓提供有源整流。在較低輸入電壓下,MOSFET的背柵極到漏極二極管接管,充當(dāng)普通二極管整流器。
圖1.使用自供電運算放大器的有源半波整流器
圖2.使用自供電運算放大器試驗板電路的有源半波整流器
當(dāng)VIN大于VOUT時,運算放大器將接通PMOS晶體管,公式如下:
其中(電壓以地為基準(zhǔn)):
VGATE 為M1柵極的電壓。
VIN 為交流輸入電壓。
VOUT 為C1和RL處的輸出電壓。
輸入和輸出電壓可以與PMOS的漏源電壓VDS和柵源電壓VGS關(guān)聯(lián)起來,公式如下:
將這些方程組合起來,便可得到MOSFET柵極驅(qū)動與漏源電壓的函數(shù)關(guān)系:
如果R2的值是R1的21倍(1 MΩ/47 kΩ),則M1漏源電壓VDS上的75 mV壓降足以導(dǎo)通閾值電壓為–1.5 V的PMOS晶體管。R2與R1的比率可以更大,從而降低輸入到輸出電壓降或支持閾值電壓更高的晶體管。
運算放大器由輸出平整電容C1供電,因此不需要額外的電源。對于為該電路選擇的運算放大器有一定的要求。放大器必須具有軌到軌輸入和輸出,并且在電源軌附近工作時不會出現(xiàn)增益相位反轉(zhuǎn)。運算放大器的帶寬限制了電路的頻率響應(yīng)。為了提高效率,該應(yīng)用常常選擇低電源電流運算放大器,因此帶寬和壓擺率一般較低。在較高交流輸入頻率(可能高于500 Hz)下,放大器的增益將開始下降。AD8541單電源CMOS運算放大器滿足所有這些要求,并且電源電流低至僅45 μA。
硬件設(shè)置
使用自供電運算放大器的有源半波整流器的試驗板連接如圖2所示。
程序步驟
AWG1連接為VIN,應(yīng)配置為幅度大于6 V峰峰值、零偏移和100 Hz頻率的正弦波。示波器輸入用于監(jiān)視電路周圍的各個點,例如VIN、VOUT、RS兩端的電壓,以及通過RS和M1柵極的電流。
開始時,C1使用220 μF的較大電容。220 μF和4.7 μF電容都是極化的,因此請務(wù)必將正極和負極正確連接到電路。
使用兩個示波器輸入監(jiān)視VIN處的輸入交流波形和VOUT處的直流輸出波形。VOUT應(yīng)該非常接近VIN的峰值?,F(xiàn)在用小得多的4.7 μF電容替換220 μF大電容。觀察VOUT處的波形變化。當(dāng)VOUT的值最接近VIN時,將交流輸入周期的間隔與晶體管M1的柵極電壓進行比較。
圖3.使用220 μF電容的VOUT和VIN Scopy圖
圖4.使用4.7 μF電容的VOUT和VIN Scopy圖
示波器通道2連接在分流器(即10 Ω電阻RS)兩端,使用測量特性獲取電流的峰值和平均值。將平均值與2.2 kΩ負載電阻RL的直流值進行比較,后者是根據(jù)VOUT測量電壓計算得出的。對220 μF和4.7 μF電容值重復(fù)此測量。
此電路的其他用途
一個僅允許電流沿一個方向流動且開關(guān)兩端的電壓降非常低的電路,還有其他潛在用途。在電池充電器中,輸入電源可能是間歇性的(例如太陽能電池板或風(fēng)力渦輪發(fā)電機),當(dāng)輸入電源沒有產(chǎn)生足夠高的電壓來為電池充電時,有必要防止電池放電。為此目的一般使用簡單的肖特基二極管,但正如背景部分所指出的,這會導(dǎo)致效率損失。使用工作電源電流足夠低的運算放大器時,其電流通??梢缘陀诖笮ぬ鼗O管的反向漏電流。
問題:
能否說出有源整流器的若干實際應(yīng)用?您可以在 學(xué)子專區(qū) 論壇上找到答案。
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