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簡單、高效且廉價的定功率驅動器設計
 

【作者: Alfredo H. Saab, Ahmad Ayar】   2009年07月07日 星期二

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執行和感應系統有時候包含了電阻性負載,且不管電阻值為何,皆需要一個可控制且定功率的驅動。如果電阻值隨著操作情況改變,且可能也會隨著最近操作紀錄做更改,那麼簡單的供給電壓或電流控制和穩定便不足以確保定功率的輸出。圖一的電路藉由負載的阻抗特性來提供定功率,並輸出一個不同工作循環的直流切換驅動,簡單、低成本且高效率地實現所需要的驅動。



一個整合的電流感應放大器和乘法器執行感應負載中的流過的電流和跨壓,並提供其中一個輸出埠正比於這些變數的定乘積的電壓,即正比於負載的瞬時功率。



一半的雙運算放大器產生了定頻率(約300Hz)的虛鋸齒狀訊號,這訊號被連結到驅動器內部輔助比較器的非反向輸入端。另一半的運算放大器作為錯誤放大器,將功率訊號作平均,然後和控制參考電壓做比較,同時放大它們之間的差異。錯誤放大器的輸出端連結到輔助比較器的反向輸入端,因此產生了PWM(脈波寬度調節)輸出訊號。這個PWM訊號驅動了和負載串聯的P通道MOSFET。



由於負載有一端接地,且因為控制輸入是低階DC訊號(或是微控制器產生的PWM控制訊號),線路應用簡單了許多。此控制線路需要大約1mA電流,此電流是由5V的電源供應提供的。




《圖一 此電路提供負載穩定的功率。》




此電路的功率限制是依據功率供應器的操作電壓範圍、最大可允許負載電流和負載電阻值而定的。功率供給器的電壓範圍是8V到24V之間,是由MOSFET的特性和驅動器輸入的動態電壓範圍所決定。此範圍涵蓋了大部分業界儀器系統的直流供應電壓。最大負載電流是4A,由在驅動器電流感應輸入端的動態電壓範圍,以及所選的電流感應電阻值(此情形下為25mΩ)的混合效應所固定。



給定一個所需的功率層級,電壓和峰值電流限制會為負載電阻設置邊界值。最小可允許的電阻值是藉由在峰值電流(4A)下所期望的最大功率電壓比值決定的。電路可以穩定的最大功率大約是預期最小電壓的平方除以預期最大的負載阻值。



在任何情況下,最大的功率損耗為感應電阻的0.4W加上功率MOSFET的0.8W,合計共1.2W。在控制電壓輸入端(VCONT)為0.5V情況下,此電路輸出穩定的10W到6Ω的電阻上,且當供應電壓從8V到24V掃過時,穩定在1%範圍內。它也可以輸出穩定的60W 0.2%到相同的負載上(VCONT=3V),但只在供應電壓範圍為19V到24V之間時。當供給電壓範圍在22到24V且VCONT=4V時,它可以提供高達80W0.2%。



供應電壓為16V且VCONT=0.5V時,當負載電阻從4Ω到12Ω變動時輸出功率保持在10W 0.1%。由供給電壓或負載轉換造成的功率穩定值變化,大部份是因為乘法器的非線性緣故,且都在此IC所制定的誤差範圍內。



---作者任職於美商美信(Maxim)公司---



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