運算放大器在開關電源電路中的應用

蔡懷海，李德生

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332001）

0 引 言

運算放大器在電子電路設計中幾乎無處不在，由運算放大器組成的應用電路也非常豐富多樣，其中比較器電路和差分放大電路在開關電源設計中的應用非常廣泛。在電源設計中，比較器電路多用于實現(xiàn)越限告警功能，如過/欠壓保護電路、電池電量指示電路以及浪涌電流抑制電路等，差分放大電路主要應用于電流取樣電路中，用于將小的取樣信號進行放大，以便能更好地進行處理。本文先簡單論述這兩款電路的工作機理，并對電路的外圍參數(shù)配置進行計算，再提出了具體的功能應用電路，最后詳細分析應用電路。

1 比較器電路

運算放大器構成比較器電路時，多用于開環(huán)或正反饋的工作狀態(tài)，即工作在非線性區(qū)。比較器工作在正反饋時，電路具有回差特性，此時比較器具有兩個門限電壓，兩者的差值構成一個回差范圍，通常稱該比較器為施密特觸發(fā)器或遲滯比較器。此時輸入信號中即使疊加有噪聲，只要噪聲電平在回差范圍以內，輸出就不會發(fā)生多重觸發(fā)的誤動作。

1.1 電路原理

1.1.1 同相輸入遲滯比較器電路

在開關電源電路中，同相輸入遲滯比較器電路可以理解為過壓比較電路，其電路結構如圖1所示。

該電路圖中所用LM2904為雙運算放大器，采用單電源供電，作為比較器使用時，其輸出Vo高電平為VCC -1.5 V，低電平為0 V。該電路的兩個門限電壓Voh和Vol分別為：

其回差范圍ΔV為：

該電路工作機理為若輸入Vi大于Voh時，輸出Vo為高電平，當輸入Vi由大逐漸減小到比Vol小時，輸出Vo跳變?yōu)榈碗娖剑糨斎隫i小于Vol時，輸出Vo為低電平，當輸入Vi由小逐漸增大到比Voh大時，輸出Vo跳變?yōu)楦唠娖剑斎隫i單方向變化時，在回差范圍之內輸出Vo狀態(tài)保持不變。

1.1.2 反向輸入遲滯比較器電路

在開關電源電路中，反相輸入遲滯比較器電路可以理解為欠壓比較電路，其電路結構如圖2所示。

該電路兩個門限電壓Vuh和Vul分別為：

其回差范圍ΔV為：

該電路工作機理為若輸入Vi小于Vul時，輸出Vo為高電平，當輸入Vi由小逐漸增大到比Vuh大時，輸出Vo跳變?yōu)榈碗娖剑糨斎隫i大于Vuh時，輸出Vo為低電平，當輸入Vi由大逐漸減小到比Vul小時，輸出Vo跳變?yōu)楦唠娖剑斎隫i單方向變化時，在回差范圍之內輸出Vo狀態(tài)保持不變。

1.2 應用舉例

通常交流大功率電源需要有交流過/欠壓保護功能和浪涌電流抑制功能。其中，交流過/欠壓保護功能用于避免交流電網(wǎng)電壓波動而引起的電源損壞，浪涌電流抑制功能主要用于減小電源上電瞬間回路中大容量電容充電產(chǎn)生的浪涌電流，由于電容其內阻ESR非常小，故其在充電前相當于短路。本文介紹一款由比較器電路組成的能實現(xiàn)上述兩個功能的電路，其原理圖如圖3所示。

過/欠壓保護電路工作過程中，將市電變壓整流濾波后，送入N6A和N6B兩個遲滯比較器，若出現(xiàn)過壓或欠壓，則遲滯比較器輸出高電平，三極管V17導通，將三極管V7和V11關斷，繼電器K1、K2以及K3均斷開，從而將市電隔離開，避免了市電對后圍電路的損壞。若過壓或欠壓現(xiàn)象消失，并超出回差范圍之外，則遲滯比較器輸出低電平，三極管V17關斷，而三極管V7和V11導通，繼電器K1和K3閉合，繼電器K2延時0.5 s閉合，市電自恢復正常供電。N6A構成同相輸入遲滯比較器，過壓保護點由Voh來決定，過壓恢復點由Vol來實現(xiàn)，N6B構成反相輸入遲滯比較器，欠壓保護點由Vul來決定，欠壓恢復點由Vuh來實現(xiàn)。

浪涌電流抑制電路剛上電時，電容C7上電壓為零，比較器N4A輸出低電平，三極管V7關斷，繼電器K2斷開，回路電流經(jīng)電阻R8流過，待電容C7通過電阻R9限流充電0.5 s（時間由R9和C7共同決定）后，電容C7上電壓高于比較器N4A反向輸入端電壓時，比較器N4A輸出高電平，三極管V7導通，繼電器K2閉合，回路電流經(jīng)繼電器K2流過，從而將電阻R8短路。本文采用在交流回路中串聯(lián)功率電阻R8來進行限流的方式，整個過程完成了電源的軟啟動，有效抑制了浪涌電流。

2 差分放大電路

2.1 電路原理

差分放大電路是將兩個輸入端上所加信號的差值進行放大再作為輸出的放大電路，而在兩輸入端共同施加的信號則不能放大。此時運算放大器工作在線性區(qū)，處于負反饋工作狀態(tài)，其典型應用電路如圖4所示。

差分放大電路在開關電源電路設計應用時，通常保證R1=R3，R2=R4，故輸出電壓Vo=R2/R1(Vi2-Vi1)，放大倍數(shù)為R2/R1。

2.2 應用舉例

開關電源應用時，過流保護是很重要的一項考核指標，現(xiàn)介紹一款由運算放大器組成的過流保護電路，其電路原理圖如圖5所示。

開關穩(wěn)壓電源在給負載供電的過程中，電阻R17對流經(jīng)負載的電流進行了正端取樣，產(chǎn)生一個差分信號，該信號被送入差分放大器N4A進行放大，放大倍數(shù)由R21/R20來決定，放大后的信號送入同相輸入遲滯比較器N4B。若N4B輸出低電平，則三極管V9關斷，三極管V10導通，MOS管V11閉合，此時負載正常供電，若N4B輸出高電平，則三極管V9導通，三極管V10關斷，MOS管V11斷開，從而中斷了負載的供電，則可以判斷電路中出現(xiàn)了過電流，另外由于N4B具有回差特性，若過電流現(xiàn)象解除，則可自動恢復負載正常供電。

3 結 論

本文詳細介紹了運算放大器應用電路中的差分放大電路和比較器電路，論述了其工作機理，并具體分析了將這兩款電路放入開關電源電路的具體應用案例，同時在產(chǎn)品中得到了大量的印證，其電路功能均能滿足要求。