一種新型改進(jìn)型鎖存電源開關(guān)
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2024-09-19 17:08:11 | 502 次閱讀
圖 1顯示了以交叉耦合方式連接的兩個開關(guān)電路，其中每個開關(guān)都由其自己的瞬時按鈕打開和關(guān)閉，并且每當(dāng)另一個開關(guān)打開時也會關(guān)閉。這種相互抵消行為適合于汽車指示器等應(yīng)用。
兩個開關(guān)電路完全相同，互為鏡像，即 R1a 提供與 R1b 相同的功能，Q1a 的行為與 Q1b 完全相同，依此類推。此外，除了額外的交叉耦合元件（C2、D1、D2、R6、R7 和 Q3）外，每個電路與上一個設(shè)計方案圖 1(a) 中所示的電路基本相同，您可以在該設(shè)計方案中找到有關(guān)基本電路工作原理的詳細(xì)描述。請記住，根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)，R5 可能是或不是必需的，對于電機等負(fù)載，可能需要在 OUT (+) 端子和負(fù)載之間安裝一個阻塞二極管。
為了理解交叉耦合的工作原理，假設(shè)開關(guān) (a) 當(dāng)前處于關(guān)閉狀態(tài)，開關(guān) (b) 處于打開狀態(tài)，這樣 Q1a 和 Q2a 就處于關(guān)閉狀態(tài)，而 Q1b 和 Q2b 都處于導(dǎo)通狀態(tài)，并通過 R3b 和 R4b 為彼此提供偏置。如果現(xiàn)在按下瞬時按鈕 Sw1a，Q1a 和 Q2a 就會打開，開關(guān) (a) 就會鎖定在其通電狀態(tài)。在 Q2a 打開的瞬間，電流脈沖通過 D1a、C2a 和 R7a 傳送到 Q3a 的基極，導(dǎo)致 Q3a 瞬間打開，從而短暫地將 Q1b 的基極短路至 0V。Q1b 和 Q2b 現(xiàn)在都關(guān)閉，開關(guān) (b) 就會鎖定在其關(guān)閉狀態(tài)。開關(guān) (a) 現(xiàn)在鎖定在其通電狀態(tài)，開關(guān)將保持此狀態(tài)，直到按下任一按鈕開關(guān)。因此，如果現(xiàn)在按下 Sw1b，Q1b 和 Q2b 就會打開，開關(guān) (b) 會鎖定在其通電狀態(tài)，并且 Q3b 會暫時打開，從而導(dǎo)致 Q1a 和 Q2a 關(guān)閉。
Q3 短暫脈沖開啟的時間長度由 C2-R7 時間常數(shù)決定，并且必須足夠長以使對面的 MOSFET 完全關(guān)閉。請記住，當(dāng) Q1 關(guān)閉時，必須通過與 R3 串聯(lián)的 R1 完全移除 Q2 柵極上存儲的電荷。一些“大型”（高電流）MOSFET 的柵極電容為數(shù)十納法拉，因此當(dāng) R1 = R3 = 10kΩ 時，柵極完全放電可能需要幾毫秒的時間?，F(xiàn)在，當(dāng) C2 = 100nF 和 R7 = 10kΩ 時，Q3 會將 Q1 的基極鉗位約 5ms，這應(yīng)該足以關(guān)閉大多數(shù) P 溝道 MOSFET。
在上述電流脈沖結(jié)束時，C2 上存儲的電壓將大致等于電源電壓 +Vs。如果沒有二極管 D1，該電壓將使 Q1 保持導(dǎo)通狀態(tài)，從而阻止開關(guān)關(guān)閉。如果電路中有 D1，阻斷作用可使開關(guān)正常關(guān)閉，這樣當(dāng) Q2 關(guān)閉時，C2 上的電壓將通過 R6-D2-R7 形成的路徑放電。
盡管開關(guān) (a) 和開關(guān) (b) 完全相同，但它們不需要共享相同的電源電壓，即 +Vs(a) 和 +Vs(b) 不需要相等，可以來自不同的電源。但是，為了使圖 1 中的電路實現(xiàn)交叉耦合，開關(guān) (a) 和開關(guān) (b) 必須共享一個公共接地回路 (0V)。對于存在此問題的應(yīng)用，可以用光耦合器 (圖 2 ) 代替 Q3a 和 Q3b，這允許每個開關(guān)擁有自己的接地回路，并與其他開關(guān)電氣隔離。大多數(shù)普通光耦合器都應(yīng)該可以完美工作，但請記住，光耦的 LED 需要比晶體管更高的驅(qū)動電壓，因此如果電源電壓 +Vs 相當(dāng)?shù)?，則可能需要降低 R7 的值（并相應(yīng)增加 C2）。
帶定時輸出的鎖存開關(guān)
某些應(yīng)用可能需要一個在預(yù)設(shè)時間后自動關(guān)閉的鎖存開關(guān)。圖 3顯示了實現(xiàn)定時輸出的一種相當(dāng)簡單的方法，其中 Q1 從單個晶體管變?yōu)檫_(dá)林頓對，電容器 C2 插入 Q2 漏極和 R4 之間。與之前一樣，瞬時按鈕 Sw1 用于控制電路。當(dāng)開關(guān)閉合時，Q2 導(dǎo)通并通過 C2 和 R4 向達(dá)林頓基極提供偏置電流。電路現(xiàn)在鎖存到其通電狀態(tài)，Q2 通過 Q1 保持導(dǎo)通。
C2 現(xiàn)在開始充電，C2 和 R4 連接處的電壓下降，下降速率主要由 C2-R4 時間常數(shù)決定。隨著電壓下降，通過 R4 傳輸?shù)竭_(dá)林頓的基極電流也下降；最終，達(dá)林頓的集電極電流變得太小，無法為 Q2 提供足夠的柵極驅(qū)動，MOSFET 關(guān)斷。開關(guān)現(xiàn)在恢復(fù)到解鎖狀態(tài)，C2 通過 D1 和與 R5（如果安裝）并聯(lián)的負(fù)載放電。請注意，只需按下按鈕，就可以在定時“開啟”期間的任何時間點解鎖開關(guān) - 無需等到輸出超時。
達(dá)林頓對提供的高電流增益允許使用較大的 R4 值（大約幾兆歐姆）來產(chǎn)生較長的時間常數(shù)。由 15V 電源供電的測試電路產(chǎn)生的“導(dǎo)通”時間范圍從 C2 = 1?F 和 R4 = 1MΩ 時的約 9 秒到 C2 = 10?F 和 R4 = 10MΩ 時的 15 分鐘多一點。將 C2 增加到 100?F 可使“導(dǎo)通”時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兩個小時。
雖然該電路適用于要求不高的應(yīng)用，但它也存在一些缺點，可能會限制其適用性。達(dá)林頓的電流增益（可能因器件和溫度的不同而有很大差異）在確定電路的時間常數(shù)方面起著重要作用，因此該電路不適合需要精確控制“開啟”時間的應(yīng)用。同樣，電源電壓的變化也會影響“開啟”時間。
此外，達(dá)林頓管集電極電流逐漸減小的事實導(dǎo)致 MOSFET 相對緩慢地關(guān)閉。這種影響可以在示波器（圖 4 ）中看到，該圖顯示了使用FDS6675A MOSFET 作為 Q2（R4 = 1MΩ）的 15V 供電電路的輸出，負(fù)載為 500Ω 。請注意，輸出從 15V（“開啟”狀態(tài)）轉(zhuǎn)換到 0V（“關(guān)閉”狀態(tài)）需要近三毫秒的時間。這種緩慢的關(guān)閉對于輕負(fù)載來說可能是可以接受的，但對于切換大電流的 MOSFET 來說，這并不是理想的行為。
圖 5顯示了該電路的改進(jìn)版本，其中達(dá)林頓已被雙開漏/開集比較器 (IC1) 取代，R5 已被分壓器 R4-R5 取代。R6-R7 分壓器產(chǎn)生參考電壓 Vref（比較器電源電壓 Vcs 的恒定部分），為兩個比較器提供穩(wěn)定的參考。
當(dāng)首次按下按鈕開關(guān)時，Q2 會打開，為負(fù)載通電，同時正向偏置 D1，為比較器提供電源電壓 Vcs。現(xiàn)在，如果 R4/R5 = R6/R7，電壓 Vx 將略大于 Vref，導(dǎo)致 IC1a 的輸出晶體管打開。其輸出變?yōu)榈碗娖剑ń咏?0V），從而通過 R3 為 Q2 提供柵極偏置。
電路現(xiàn)在鎖定在其“開啟”狀態(tài)，定時電容器 C4 開始通過 R8 充電，C4 上的電壓 Vc 呈指數(shù)上升。當(dāng) Vc 剛好超過 Vref 時，比較器 IC1b 跳閘，其輸出晶體管導(dǎo)通，將 Vx 拉低至 0V。IC1a 的輸出晶體管現(xiàn)在關(guān)閉，由于 Q2 不再具有柵極驅(qū)動，MOSFET 關(guān)閉，開關(guān)解鎖。C4 現(xiàn)在通過 D2-R6-R7 路徑相對快速地放電。與更簡單的電路一樣，只需按下按鈕即可隨時解鎖開關(guān)。
阻斷二極管 D1 具有雙重功能。當(dāng) Q2 關(guān)閉時，它將 R2 與 C2 上存儲的電荷隔離開來，從而確保開關(guān)正確解鎖。此外，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，它還可以防止 C2（和 C4）通過負(fù)載快速放電。這為比較器在 Q2 關(guān)閉時保持供電提供了短暫的時間，從而確保電路有序關(guān)閉。從開關(guān)輸出而不是電源電壓為比較器供電可滿足本文中所有電路的基本要求，即（就像機械開關(guān)一樣）“關(guān)閉”狀態(tài)下的功耗為零。
圖 6顯示了電路的時序方程以及使用 IC1 = TLC393、R4 = R6 = 10kΩ、R5 = R7 = 22kΩ 和 +Vs = 15V 構(gòu)建的測試電路的結(jié)果。請注意，Vcs 不包含在方程中，因此“開啟”時間在很大程度上不受電源電壓變化的影響。
除了 C4 = 100F 的情況外，測量結(jié)果和理論結(jié)果非常吻合，這種情況產(chǎn)生的“開啟”時間比計算值長得多。這很可能是由于用于該測試的電解電容器內(nèi)部泄漏造成的（1?F 和 10?F 測試使用的是非電解電容器）。使用合適的組件，可以實現(xiàn)超過一小時的“開啟”時間。
忽略 D1 兩端的壓降，比較器電源電壓與直流電源電壓 (Vcs ≈ +Vs) 大致相同，這會影響可使用的比較器類型。TLC393雙微功率比較器是理想的選擇，因為它們的功率要求極小，輸入偏置電流極低（通常為 5pA），但它們的電源電壓限制在 16V 左右。LM393提供相同的功能，可在高達(dá) 30V 的電源電壓下使用。但是，電源電流大于TLC393，輸入偏置電流相對較大（通常為 ?25nA），這會影響 C4 的充電速率。選擇 R4-R7 的值時，請確保 Vx 和 Vref 不超過比較器的共模電壓上限（TLC393 和 LM393 的 Vcs 大約低于 1.5V）。
除了提供對定時輸出的相當(dāng)精確的控制外，該電路從“開”到“關(guān)”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換比圖 3 的簡單電路快得多。圖 7所示的示波器顯示了由 15V 供電的測試電路的輸出，使用與簡單電路相同的 500Ω 負(fù)載和 FDS6675A MOSFET。與圖 4 中略顯遲緩的響應(yīng)相比，從完全“開”到完全“關(guān)”的切換時間大大改善，約為 100s。
選擇元件
上述電路中使用的雙極晶體管和二極管沒有特殊要求。只要額定電壓為最大電源電壓，大多數(shù)具有良好電流增益的 NPN 雙極晶體管都適用。P 溝道 MOSFET 的最大漏源電壓、電流處理和功率耗散的額定值必須與高端驅(qū)動器電路中使用的任何器件相同。但請注意，某些類型的 MOSFET 的最大柵極源電壓限制遠(yuǎn)低于漏源電壓額定值。例如，IRFR9310 等器件的最大漏源電壓額定值為 ?400V，而柵極源電壓限制為 ± 20V。如果您的應(yīng)用需要非常大的電源電壓，則可能需要在 MOSFET 的柵極和源極之間安裝一個保護(hù)齊納二極管，以便將柵極電壓鉗位到安全水平。
雖然所有電路都使用了按鈕開關(guān)，但可以用簧片繼電器（提供磁激活開關(guān)）或其他類型的瞬時觸點來代替。唯一的要求是觸點必須相對于供電軌電氣“浮動”。
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