|
作者： Doug Mercer，顧問(wèn)研究員和Antoniu Miclaus，ADI系統應用工程師 目標 本實(shí)驗活動(dòng)的目標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(gè)正向壓降低于傳統PN結二極管的單向電流閥或整流器。 背景知識 電源使用傳統二極管整流交流電壓以獲得直流電壓時(shí)，必須對某些本身效率低下的部分進(jìn)行整流。標準二極管或超快速二極管在額定電流時(shí)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(huì )降低潛在的直流輸出電壓。此外，該壓降與通過(guò)二極管提供的電流的乘積意味著(zhù)功耗和發(fā)熱量可能相當大。 肖特基二極管的較低正向電壓是對標準二極管的改進(jìn)。但是，肖特基二極管同樣有一個(gè)內置的固定正向電壓。利用FET較低的傳導損耗，與輸入交流波形同步地主動(dòng)開(kāi)關(guān)MOSFET器件以模仿二極管，可以實(shí)現更高的效率。有源整流常被稱(chēng)為同步整流，是指根據極性在交流波形的適當時(shí)間點(diǎn)開(kāi)關(guān)FET器件，因此它可充當整流器，僅在所需方向上傳導電流。 與結型二極管的情況不同，FET的傳導損耗取決于導通電阻(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(shí)現的壓降的一小部分。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(kāi)關(guān)FET的柵極信號，因此相比基于二極管的整流器，電路設計更為復雜。與必須去除二極管所產(chǎn)生熱量而增加的復雜性相比，這種復雜性常常更容易處理。隨著(zhù)效率要求不斷提高，很多情況下沒(méi)有比使用同步整流更好的選擇。 材料 u ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊 u 無(wú)焊試驗板 u 跳線(xiàn) u 一個(gè)具有軌到軌到軌輸入/輸出的AD8541 CMOS運算放大器 u 一個(gè)ZVP2110A PMOS晶體管（或等效元件） u 一個(gè)4.7 µF電容 u 一個(gè)220 µF電容 u 一個(gè)10 Ω電阻 u 一個(gè)2.2 kΩ電阻 u 一個(gè)47 kΩ電阻 u 一個(gè)1 kΩ電阻 說(shuō)明 在試驗板上構建圖1所示的簡(jiǎn)易半波整流器電路。有源柵極驅動(dòng)電路使用運算放大器(AD8541)檢測來(lái)自AWG輸出的交流輸入波形何時(shí)高于輸出電壓VOUT（在正值方向上），進(jìn)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VIN大于VOUT時(shí)，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）： 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(lái)，公式如下：
將這些方程組合起來(lái)，便可得到MOSFET柵極驅動(dòng)與漏源電壓的函數關(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(shí)不會(huì )出現增益相位反轉。運算放大器的帶寬限制了電路的頻率響應。為了提高效率，該應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(kāi)始下降。AD8541單電源CMOS運算放大器滿(mǎn)足所有這些要求，并且電源電流低至僅45 µA。 硬件設置 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。示波器輸入用于監視電路周?chē)母鱾�(gè)點(diǎn)，例如VIN、VOUT、RS兩端的電壓，以及通過(guò)RS和M1柵極的電流。 開(kāi)始時(shí)，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(gè)示波器輸入監視VIN處的輸入交流波形和VOUT處的直流輸出波形。VOUT應該非常接近VIN的峰值�，F在用小得多的4.7 µF電容替換220 µF大電容。觀(guān)察VOUT處的波形變化。當VOUT的值最接近VIN時(shí)，將交流輸入周期的間隔與晶體管M1的柵極電壓進(jìn)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(jìn)行比較，后者是根據VOUT測量電壓計算得出的。對220 µF和4.7 µF電容值重復此測量。 此電路的其他用途 一個(gè)僅允許電流沿一個(gè)方向流動(dòng)且開(kāi)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(yáng)能電池板或風(fēng)力渦輪發(fā)電機），當輸入電源沒(méi)有產(chǎn)生足夠高的電壓來(lái)為電池充電時(shí)，有必要防止電池放電。為此目的一般使用簡(jiǎn)單的肖特基二極管，但正如背景部分所指出的，這會(huì )導致效率損失。使用工作電源電流足夠低的運算放大器時(shí)，其電流通�？梢缘陀诖笮ぬ鼗䴓O管的反向漏電流。 問(wèn)題： 能否說(shuō)出有源整流器的若干實(shí)際應用？您可以在學(xué)子專(zhuān)區 論壇上找到答案。 關(guān)于作者 Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產(chǎn)品，并擁有13項專(zhuān)利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽(yù)研究員身份擔任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。 Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab®、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。 |
