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1、1. 电荷泵充放电方案1.1 原理介绍如上图，动态电路方案的工作步骤如下所示：1. PWM1和PWM2信号控制MOS管给电容充电（PMW1和PWM2单片机锁频）。2. 电容和二极管组成单向电荷泵，将充电为负压。3. 电阻对充放电电流进行限制。4. 保险丝对系统工作电流进行保护。5. MOS管对单片器驱动信号进行转换，而后驱动MOS管。1.2 工作过程分析当输入波形为高时（绿色），电容C3左侧为电源电压V1,右侧电荷通过D5释放掉，最终右侧电压维持在 0.7V。当输入波形变为低时，电容两侧电压差不会突变，由于左侧电压变为0，右侧电压则突变为-(V1-0.7V)(即维持了电容之前的压差)，此时电容
2、C1充电，电流由C1流向C3,同时导致 C3的电压上升，最后假如忽略二极管D1，则C1和C2将平分电压-(V1-0.7V),但是由于二极 管的存在，C3的电平将会比C1高0.7V。当输出波形在此变为高时，电容C左侧变为V1，右侧电平由于被C1中和掉一部分，故 右侧电平将大于0.7V，此时通过D5放电，将右侧电平再次放电为0.7V。如上步骤重复若干次，最终C1处电压将变为-(V1-0.7V-0.7V),由于上述仿真，V1为3.3V 故， C1 处电平最终稳定在 1.9V 左右。1.3 方案仿真1.3.1 参数计算电容电压和充电时间关系：vt-电容电压，V0-初始电压，Vmax-电源电压，R-充电
3、阻抗，C-电容，t-时间，E-电源电压。V二 V + V一V )x(1 e 一亘RCtomax ok丿当 V0=0 时有：丄E 1V 二 E1 一 e - rcn t 二 RC x lntE k一 V( 丿t丿此时有：当t = RC时，电容电压=0.63E ； 当t = 2 RC时，电容电压=0.86 E； 当t = 3RC时，电容电压=0.96E ； 当t = 4 RC时，电容电压=0.98E； 当t = 5RC时，电容电压=0.99E； 具体充电曲线如下： 电容电压和放电时间关系：Vt-电容电压，E-电容初始电压，R-放电阻抗，C-电容，t-时间。_tEV 二 E x e rc n t 二
4、 RC x ln 一tVt 参数计算对于当前设计，有以下参数，电容100uF负载600R，电源电压24V,假如允许电源电压在 20V22V 摆动，则有放电时间：22=5. 7mS=600 x 100 x 10-6 x ln = 5.7 x 10-3S20对于充电从20V22V即从0.83E充电到0.91E,对照上文，大致有:t冲二 RC假如按50%充电比率，则充电时间按放电时间一般，代入t冲=2.85mS, C=100uF,可得:2. 85 x 10-3S100 x 10-6二 28. 5即充电电阻大致在28.5R左右。 综上可得，在600R放电电阻，电容100uF，输出电压在20V22V范围
5、内变化情况下,电路应做如下配置: 充电电阻为28.5R左右 PWM周期在175Hz左右 1.3.2 波形仿真根据上述参数做仿真如下丄”如上图，仿真结果基本与结算吻合。然后引入动态电路，二极管按理想二极管，压降设为0，仿真结果如下c:tiE阿1 血F.R-V（V）V17辿 g -HF-?仿真结果如上，由于双电容增加的容抗和延时，电压略有下降，基本也在-20V左右。用双 MOS 控制上下电，仿真结果如下所示：E-却MtmuF将二极管回调至0.7V压降，仿真结果如下:将充电电阻调至10R,频率提高到10KHZ，仿真结果如下:综上，在电容100uF,充电电阻28.5R，操作频率175Hz的情况下，基本
6、上能保证负载 600R 在 20V 左右电平工作。假如需要提升电荷泵性能，可从充电电阻和操作频率两方面做调节。 电感2. 电感充放电方案（开关电源方案）2.1 方案介绍此方案可视为变压器隔离方案的变形，将变压器隔离方案中的变压器使用一个电感代替 利用电感的续流功能工作，此方案的工作流程如下：1. PWM1控制光耦隔离，周期性通断。2. 电感在断开时，进入续流模式，通过二极管，将电容充电为负压。3. V1+和V1-给第二级电路供电，第二级电路工作原理同第一级电路。4. 在OUT端生成电压V2+和V2-驱动外部继电器。2.2 方案仿真如上图所示，采用R3,4R将系统限流到6A,电感采样采用22uH
7、常用电感，设置系统工 作频率为25KHZ，第一级工作波形如下如所示：馳F叮q敬网罠鬲亦阳爲屁不”密1 - 0* Qpvti*.ErfbrE Ufidhw 申3-| xa IB 牯we x t 疋耳金直煜輕蛭右曾屯 m a i4銅0啣I K-畑卜 *ki如上图，在MOS管关闭（蓝色为低时），流经电感的电流不会马上消失（红色部分），而是 转由二极管续流，此时V2电压被瞬间拉低为负压，随着续流电流减小，V2页逐渐趋近于0， 这个过程V3被充电，由于没有释放路径电压逐渐增加。在MOS打开时（蓝色为高时），电流急剧增加，由于电感的存在，给V2提供一个瞬间的 感应电压，随着电流趋于稳定，V2电压逐渐被拉低
8、，趋近于0。通过上述分析，第一级在工作时，会不断给V3即C1充电，故第二级电路可用此作供电 电源。第二级的工作状态如下：同第一级的工作原理类似，V6会被不断充电，并提供给模拟负载R6使用100R内阻。将整个采样时间加长，得到仿真波形如下：如上图所示，系统最后能提供20V左右压降。 将系统工作频率调节为1KHz，仿真波形如下:II|1111lin:lilRflbU4.r m I亘皿皿r*W.E上出V总岛尸訂必J&修啦名T E A如上图，在低频情况下，系统无法正常工作。3. 变压器隔离方案3.1 方案简介方案的功能示意图如下所示如上图，此电路的工作流程如下：1. PWM1驱动光耦隔离器，进而驱动继
9、电器周期性导通。2. 继电器周期性导通，会有交流信号进入整流桥。3. 交流信号经过整流桥，变为直流信号进入电容，电容将直流信号蓄能。4. PWM2驱动光耦隔离器，使用电容储存的能量，通过电阻转化为电压信号 进而驱动 MOS 管。5. MOS管周期性导通，步骤同3，最后电容蓄能。6. 电容驱动外部的继电器。3.2 仿真与分析变压器工作原理+ uZL单相变压器如上图：u1-电源电压；i1-初级线圈工作电流；r1-初级线圈内阻；e1-初级线圈反向电动势;N1-初级线圈匝数；L1 -初级线圈电感。u2-输出电压；i2-输出电流；r2-次级线圈内阻；e2-次级线圈感应电动势；N2-次级线圈匝数；L2-次
10、级线圈电动势。-磁通，I-初级线圈总电流，R-次级线圈负载。其工作过程如下所示：u n i n n u n i11 2 21：初级线圈增加电源 U1；2：U1 产生逐渐增大的电流 i1；3：逐渐增大的i1产生变化的磁通；4：变化的磁通在次级线圈产生感应电压U2；5： U2产生感应电流i2，i2又产生磁通叠加到； 6：新增磁通在初级线圈产生感应电流；变压器工作频率问题 根据如上工作过程，可得变压器要想正常工作，初级线圈必须产生变化的电流。对于初 级线圈，是一个经典的RL充放电过程：RIRL在这个过程中，有：t=L/R电路充电，i=lo1-eU-t/t ), lo是最终稳定电流。电路放电，i=Io
11、XeU-t/T), lo是短路前L中电流。对于初级线圈，lo=U/R, U是电源电压，R是线圈内阻，如此可计算得充放电时间t,则 对于变压器，工作频率应小于1/t，否则变压器将工作在直流模式下，失去效果。搭建仿真电路，U=1OOV, L=1OH, R=1OOR, t=L/R=0.1，最终电流 Io=1A，电流=0.5A则有：0.5=1 1-e*t/0.1) t=0.06931s变压器工作电流问题对于如上变压器，我们假设N1=N2, L1=L2,且不考虑饱和问题，则其等效电路如下:Lr2r1e2i2u2对于次级线圈右侧，刚上电时， e2=u1，随着变化率的变慢，e2逐渐减小，故:i2max=U1
12、/(r1+r2+R)对于初级线圈，I=i1+i2，有如下过程：1) 刚上电，L相当于断路，11=0, I=i22) 电流变化中，i2减小，i1增加，I=i1+i23) 直流时， L 相当于短路， i1 最大， i2=0， I=i1=U/R1如上仿真，设置r1=r2=R=115, N1=N2, L=3.8H,初始状态有：I=i2=24/(115+115+115)=0.069A随后i2逐渐减小，i1逐渐增大，i1可用上面的充电方程计算，或将次级线圈断路，即 i2=0 仿真,这个过程满足：I=i1+i2最大达到直流时，u2变为0，i2=0，且有I=i1=24/115=0.208A 变压器性能特点1 忽略漏磁等问题，对变压器有：=U/(4.44fN)可见磁通和频率f,匝数N成反比。频率越高，磁通越少，磁通越少输出功率越少，故 高频信号在低频变压器中会出现输出输出功率不足问题。 变压器性能特点 2 由于变压器工作在线圈充放电状态，充放电时间越长，电流越大(见上文公式)，故低频信号在高频变压器(一般电感L较小)中容易出现电流过大，甚至烧毁现象。 变压器性能特点 3 对变压器次级线圈有：i2=U/(r1+r2+R) 可见，线圈内阻越大将直接影响变压器的带载能力，过大内阻也会导致变压器发热严重， 故变压器一般将内阻做的很小。
常见动态电路电感电容充放电分析
