本科毕业论文数字脉宽调制器的设计（定稿）

1、唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：数字脉宽调制器的设计信息工程系06应用电子技术（1）班系 别：_李小静班 级：_赵庆利姓 名：_指 导 教 师：_2009年6月2日摘 要交流电压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。因此本文所设计的数字脉宽调制器实现的就是单相交流调压功能。本文主要介绍了数字脉宽调制器的组成电路以及主要运用的集成芯片、电子器件，尤其是电力电子器件IGBT的使用。该设计通过比较器对参照电压的数字量和计数器的输出进行比较，再利用比较结果来控制IGBT的驱动电路进而控制IGBT的导通和关断，来实现脉宽调制。本设计单纯使用硬件

2、电路，原理简单，容易实现。关键词：IGBT驱动电路计数器比较器Digital Pulse Width ModulatorAbstractAC voltage control circuit is widely used in lighting (such as dimming control of lamps and lighting) and the soft start induction motors, but also for induction motor speed control. Therefore in this paper the design of digital pul

3、se width modulator is the realization of single-phase AC voltage regulator function.In this paper, the digital pulse width modulator circuit and the main use of the composition of the integrated chips, electronic devices, especially power electronic devices IGBT use. The design of the device by comp

4、aring the number of reference voltage and to compare the output of counter, and then use the results of the comparison to control IGBT to control the drive circuit IGBT and the turn-off to achieve the pulse-width modulation. The simple use of hardware circuit design, the principle of simple, easy to

5、 achieve.Keywords: IGBT; driver circuit;comparator;counter目 录1引言12数字脉宽调制器的主电路22.1自关断电子器件（IGBT）23控制电路的设计53.1脉宽调制电路5参考电压产生电路5计数电路5转换器7用555定时器接成的多谐振荡器10数值比较15锁存电路163.2直流稳压电源173.3（IGBT）驱动电路20对驱动电路的要求20的变压器隔离驱动213.3.3 IGBT的直接驱动22的光耦隔离驱动23的集成模块驱动233.4同步电路25单相整流电路25光电耦合器313.4.3变压电路33计数清零374结论39谢辞40参考文献41附录

6、42外文资料43中文翻译451 引言许多应用需要脉宽调制(PWM)电路，如：电压调节器、功率控制、风扇速度控制等。本文所设计的脉宽调制器用于单相交流调压7。脉宽调制器的实现有很多途径和方法，可以用单片机、模拟电路和数字电路等来实现。每一种实现方法都有它的可取之处。单片机通过软、硬件结合，操作简单，易于实现。模拟电路和数字电路实现起来原理简单，易于理解。数字电路较之模拟电路抗干扰能力强，因此本设计通过单纯的硬件电路来实现脉宽调制器。设计的数字脉宽调制器通过调节负载两端电压的大小从而改变负载的某些参数，负载如果为电机，通过脉宽调制则可以改变其转速。2 数字脉宽调制器的主电路2.1自关断电子器件（I

7、GBT）1.绝缘栅双极晶体管（IGBT）概述GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为Bi-MOS器件。绝缘栅双极晶体管综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。因此，自其1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，

8、以期再取代GTO的地位。2.IGBT的结构和工作原理IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。图2-1给出了一种由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构的简化等效电路，可以看出这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图中RN为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于前面提到的电导调制

9、效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。图2-1 IGBT的简化等效电路以上所述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图2-2所示。相应的还有P沟道IGBT，记为P-IGBT。图2-2IGBT的电气图形符号3.IGBT的基本特性1) 静态特性 图2-3a所示为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系，与电力MOSFET的转移特性类似。开启电压UGE(TH)是IGBT

10、能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(TH)随温度升高而略有下降，温度每升高1摄氏度，其值下降5mV左右。在±25摄氏度时，U GE(TH)的值一般为26V。图2-3b所示为IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压UGE,而GTR为基极电流IB。IGBT的输出特性也分为三个区域；正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。此外，当uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBT工作在开

11、关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。a转移特性b输出特性图2-3 IGBT的转移特性和输出特性2) 动态特性 IGBT的开通过程与电力MOSFET的开通过程很相似，这是因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET来运行的。从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10%的时刻，到集电极电流iC上升至其幅值的10%的时刻止，这段时间为开通延迟时间td(on)。而iC从10%ICM上升至90% ICM所需时间为电流上升时间tr。同样，开通时间ton为开通延迟时间与电流上升时间之和。开通时，集射电压uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。前者为IGBT中MOSFET单独工作的电压下

12、降过程；后者为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。由于uCE下降时IGBT中MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此tfv2段电压下降过程变缓。只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态。IGBT关断时，从驱动电压uGE的脉冲后沿下降到其幅值的90%的时刻起，到集电极电流下降至90% ICM止，这段时间为关断延迟时间td(off)；集电极电流从90% ICM下降至10% ICM的这段时间为电流下降时间。二者之和为关断时间toff。电流下降时间可以分为tfi1和tfi2两段。其中tfi1对应IGBT内部的MOSFET

13、的关断过程，这段时间集电极电流iC下降较快；tfi2对应IGBT的内部的PNP晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区的少子复合缓慢，造成iC下降较慢。由于此时集射电压已经建立，因此较长的电流下降时间会产生较大的关断损耗。为解决这一问题，可以与GTR一样通过减轻饱和程度来缩短电流下降时间，不过同样也需要与通态压降折衷。可以看出，IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽

14、度和较高电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。4.IGBT的主要参数除了前面提到的各参数之外，IGBT的主要参数还包括：1) 最大集射极间电压UCES这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。2)最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流Icp。3)最大集电极功耗Pcm在正常工作温度下允许的最大耗散功率。IGBT的特性和参数特点可以总结如下：1) IGBT开关速度高，开关损耗小。有关资料表明，在电压1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。2)在相同的电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐

15、脉冲电流冲击的能力。3) IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。4) IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。5)与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。3控制电路的设计3.1脉宽调制电路3.1.1参考电压产生电路将电位器两端加上+5V电压，通过改变电位器滑片来给A/D转换器提供不同的电压模拟量，从而提供与计数器值相比较的参考值。3.1.2计数电路8位二进制同步加/减（可逆）计数器(无清零端，有同步预置控制端，具有输出保持功能)1.型号表3-1 型号类型国际通用国内通用 国内一些厂家曾用TT

16、L54/74F269CT54/74F2692.功能表表3-274F269功能表输入控制功 能输出 M CPQ0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7L X X X 同步预置D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7H L L H 加计数H L L L 减计数H H X X 禁止计数保持原来状态H X H X 禁止计数保持原来状态H：高电平。L：低电平。X：高低电平均可。：上升沿有效。电源电压Vcc：+（4.55.5）V。输入高电平的最小值：2.0V。输入低电平的最大值：0.8V。3.典型参数表3-3 典型参数型号典型传输延迟时间（ns）最高工作频率（MHz）典型总功耗（mW）26910

17、1004254.引脚图图3-174F269引脚图M：加/减计数控制端。当其为高电平时，计数器实现加计数；当其为低电平时，计数器实现减计数。CP：时钟（计数）脉冲输入端。上升沿有效。：同步预置控制端。低电平有效，即该端为低电平情况下，在CP出现上升沿经过数据输入端对计数器的输出状态进行预置。该端通常处于高电平。、：使能控制端。低电平有效，即当二者均为低电平时，计数器实现计数功能，而当二者之一为高电平时，计数器禁止计数，计数器的输出端保持原来的状态。D0 D7：数据输入端。用于预置计数器的初始状态。由于没有设置清零端，则计数器需要清零时，也可通过数据输入端来实现。Q0 Q7：计数器输出端。做加法计

18、数时由Q7输出可作256分频器，由Q6输出可作128分频器，由Q5输出可作64分频器，由Q4输出可作32分频器，由Q3输出可作16分频器，由Q2输出可作8分频器，由Q1输出可作4分频器，由Q0输出可作2分频器。：进、借位输出端。用来作n位级联使用。当计数器进行加法计数时作进位端；当计数器进行减法计数时作借位端。低电平有效，即通常为高电平，出现进、借位信号时为低电平。进、借位信号为负脉冲。3.1.3A/D转换器1.A/D转换的基本原理在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样，然后再把这些取样值转换成输出的数字

19、量。因此，A/D转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后，再开始下一次取样。1)取样定理由图3-2可见，为了能正确无误地用取样信号vs表示模拟信号vI，取样信号必须有足够高的频率。可以证明，为了保证能从取样信号将原来的被取样信号恢复，必须满足s2i(max)A（f）f式中，s为取样频率，i(max)为输入模拟信号vI的最高频率分量的频率。上式就是所谓取样定理。在满足上式的条件下，可以用低通滤波器将vs还原为vI。这个低通滤波器的电压传输系数在低于i(max)的范围内应保持不变，而在s -i(ma

20、x)以前应迅速下降为0，如图3-3所示。图3-2 对输入模拟信号的采样 图3-3 还原取样信号所用滤波器的频率特性因此，A/D转换器工作时的取样频率必须高于上式所规定的频率。取样频率提高以后留给每次进行转换的时间也相应的缩短了，这就要求转换电路必须具备更快的工作速度。因此，不能无限制的提高取样频率，通常取s =(35)i(max)已满足要求。由于转换是在取样结束后的保持时间内完成的，所以转换结果所对应的模拟电压是每次取样结束时的vI值。2)量化和编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在进行A/D转换

21、时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍。这个转化过程叫做量化，所取得最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位(LSB)的1所代表的数量大小就等于。把量化的结果用代码(可以是二进制，也可以是其他进制)表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的输出结果。既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被整除，因而量化过程不可避免地会引入误差。这种误差称为量化误差。2.集成ADC0809集成ADC0809是利用CMOS工艺制成的8位八通道逐次渐近型A/D转换器。该器件具有与微处理器兼容的控制逻辑，可以直接与80X86系列、51系列等微处理器接口相连。1)ADC0809的引脚功能。AD

22、C0809的引脚排列图如图3-4所示，各引脚功能如下：IN-0IN-7：8路模拟电压输入，电压范围为05v。可由8路模拟开关选择其中任何一路送至8位A/D转换电路进行转换。ADD-A、ADD-B、ADD-C：3个地址信号输入端，构成3位地址码，可以选择8个模拟量之一。ALE：地址锁存允许信号：它是一个正脉冲信号。在脉冲的上升沿将3位地址ADDC、ADDB、ADDA存入锁存器。CLOCK：时钟脉冲输入。控制A/D转换速度，频率范围是10KHz-1MHz。START：A/D转换启动信号，为一正脉冲信号。在START的上升沿，将逐次比较寄存器清零，在START的下降沿开始转换。EOC：A/D转换结束

23、信号，高电平有效。ENABLE：输出允许信号，OE有效时将打开输出缓冲器，使转换结果出现在D7D0端。Vcc：芯片工作电压，+5v。msb2-1lsb2-8:数字量输出端。Vref（+），Vref（-）：基准（参考）电压的正、负极。GND：地端。图3-4 ADC0809引脚排列图2)ADC0809主要技术指标。分辨率：8位精度：8位转换时间：100us输入电压范围：5-15V温度灵敏度：20ppm/功耗：15mW3)ADC0809的内部结构及工作原理。ADC0809的内部结构如图3-5所示，由两部分组成：第一部分：8路模拟通道选择开关、地址锁存器和译码器，第二部分：比较器、8位逐次渐近寄存器S

24、AR、8位树形D/A转换电路、控制逻辑、三态输出缓冲锁存器。ADC0809工作原理如下：由ADDC、ADDB、ADDA及ALE选择8个模拟量之一，并通过通道选择开关加至比较器一端，由START信号启动A/D转换开始且SAR清零，在CLOCK控制下，将SAR从高位到低位逐次置1，并将每次置位后的SAR送D/A转换器转换成与SAR中数字量成正比的模拟量，DAC的输出加至比较器的另一端与输入的模拟电压进行比较，若uiuo，保留SAR中该位的1，若ui<uo，该位清零，经过8次比较(8个CLOCK)后，SAR中的8位数字量即是结果，在OE有效下，将SAR中的8位二进制数输出至锁存器，并通过D7D

25、0输出，同时发出EOC转换结束信号。EOCSTACLKGND8路模拟开关开关树逐次逼近寄存器控制和定时三态输出锁存缓冲器地址锁存与译码256个电阻阶梯比较器5432128272625242322212019188151417610D7D6D5D4D3D2D1D0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALE111312169OEVREF（-）VREF（+）VCC图3-5ADC0809内部结构框图3.1.4用555定时器接成的多谐振荡器1.555 定时器555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便的构成脉冲产生和整形电路，在工业控制、定

26、时、仿声、电子乐器及防盗报警等方面应用很广。1)电路组成555集成定时器的电路结构由五个部分组成：基本RS触发器由两个与非门组成，是专门设置的可从外部进行置0的复位端，当=0时，使Q=0、=1。比较器C1、C2是两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别有+号和-号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+> U-时其输出为高电平，U+< U-时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。分压器三个阻值均为5k的电阻串联起来构成分压器,为比较器C1和C2提供参考电压,C1之+端U+=2Vcc/3、C2之-端U-= Vcc /3。如果在电压控制

27、端CO另加控制电压，则可改变C1、C2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01F的电容接地，以旁路高频干扰。晶体管开关和输出缓冲器晶体管Td构成开关，其状态受端控制，当为0时Td截止、为1时Td导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。综上所述可知，555定时器不仅提供了一个复位电平为2Vcc/3、置位电平为Vcc/3，且可通过端直接从外部进行置0的基本RS触发器，而且还给出了一个状态受该触发器Q端控制的晶体管开关，因此使用起来极为灵活。2)基本功能表3-4所示是555定时器的功能表，它全面地表示了555的基本功能。表3

28、-4555定时器的功能表UthUuoTd的状态X>2Vcc/3<2 Vcc /3<2 Vcc /3X> Vcc /3> Vcc /3< Vcc /30111UolUol不变Uoh导通导通不变截止=0时，=1，输出电压uo= Uol为低电平，Td饱和导通。=1、Uth>2/3Vcc、U> Vcc/3时,C1输出低电平、C2输出高电平，=1、Q=0，uo = Uol、Td饱和导通。=1、Tth<2/3Vcc、U>Vcc/3时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此uo、Td也保持原来状态不变。=1、Tth <

29、2/3Vcc、U<Vcc/3时，C1输出高电平，C2输出低电平，=0、Q=1，uo = Uoh、Td截止。555定时器的电源电压范围较大，双极型电路Vcc =4.516V，输出高电平不低于电源电压的90%，带拉电流和灌电流负载的能力可达200mA；CMOS电路Vdd=318V，输出高电平不低于电源电压的95%，带拉电流负载的能力为1mA，带灌电流负载的能力为3.2mA。2.用555定时器构成多谐振荡器多谐振荡器是一种自激振荡电路，当电路连接好之后，只要接通电源，在其输出端便可获得矩形脉冲，由于矩形脉冲中除基波外还含有极丰富的高次谐波，所以人们把这种电路叫做多谐振荡电路。1)电路组成由55

30、5定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。2)工作原理起始状态接通电源前电容C上无电荷，所以接通电源瞬间，C来不及充电，故Uc=0，比较器C1输出为1，C2输出为0，基本RS触发器Q=1，=0，Uo=Uoh，Td截止。暂稳态I Q=1，=0，Uo=Uoh，Td截止.是电路的一种暂稳状态，因为在这种状态下，有一个电容C充电、uc缓慢升高的渐变过程在进行着，充电回路是VccR1，R2C地，时间常数是1=（R1+R2）*C。自动翻转I当电容充电，上升到2Vcc/3时，比较器C1输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，Q=0，=1，Uo=Uol，Td饱和导通。暂稳态II

31、Q=0，=1，uo=Uol， Td饱和导通，是电路的另一种暂稳态，因为在这种状态下，同样有一个电容C放电，Uc缓慢下降的渐变过程在进行着，放电回路是CR2Td地，时间常数是2=R2*C(忽略Td饱和导通电阻Rces)。自动翻转II当电容C放电，Uc下降到Vcc/3时，比较器C2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到1状态，Q=1，=0，Uo=Uoh， Td饱和截止，即暂稳态I。在暂稳态I，电容C又充电，Uc再上升，接通电源之后，电路在两个暂稳态之间来回翻转振荡，于是输出端就产生了矩形脉冲。图3-6 555构成多谐振荡器 图3-7 多谐振荡器的波形图3)振荡频率的估算电容C充电时间，即暂稳态I维

32、持时间tw1的估算tw1=0.7（R1+R2）C电容C放电时间，即暂稳态II维持时间tw2的估算tw2=0.7R2C电路振荡频率f振荡周期T T=tw1+tw2=0.7（R1+R2）C+0.7R2C=0.7（R1+2R2）C振荡频率f f=1/T=1/0.7（R1+2R2）C占空比q q=tw1/T=(R1+R2)/(R1+2R2)555电路要求R1与R2均应不小于1K，但两者之和应不大于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。3.LM5551)功能简介LM555/LM

33、555C 系列是美国国家半导体公司的时基电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一种通用集成电路。LM555/LM555C 系列功能强大、使用灵活、适用范围宽，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，被广泛用于各种电子产品中。555时基电路有双极型和 CMOS型两种。LM555/LM555C系列属于双极型。优点是输出功率大，驱动电流达 200mA。而另一种 CMOS 型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安。2)应用范围精确定时脉冲发生连续定时频率变换脉冲宽度调制脉冲相位调制3)内部结构图3-8LM555内部结构4)引脚说明

34、表3-5 LM555引脚说明符号功能说明1GND地线2TR触发3OUT输出4RES复位5CV控制电压6TH阀值7DIS放电8VCC电源5)电气参数表3-6LM555电气参数参数条件LM555最小典型最大电源电压4.5v18v电源电流VCC=5，RL=3mA5mA6)电路特点LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。其中 6 脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。2 脚为触发端（TR），是下比较器的输入。3 脚为输出端（OUT），有 0 和 1 两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。7 脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有

35、悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。4 脚为复位端（R），叫上低电平（< 0.3V）时可使输出端为低电平。5 脚为控制电压端(CV )，可以用它来改变上下触发电平值。8 脚为电源（VCC），1 脚为地（GND）。7) 多谐振荡器有关参数计算该设计中的LM555的外围电阻R2、R3和C的值可以根据后面电路进行设定。方法：假设对单相交流电的一个周期进行20次斩波，则斩波周期T0=0.02/20=0.001S=1ms。假设在这一个斩波周期计数器计满，则可知振荡器的振荡频率为f=256KHz。振荡周期T=1/f=(R2+2R3)CIn2;设占空比q=2/3,因为q=（R2+R3）/(R2

36、+2R3),得出R2=R3；若取C=0.0001F，则代入T的计算式得到 3R2CIn2=0.0000039062R2=0.0000039062/(3CIn2)=18.6K因此取两只20K的电位器，即可得到设计结果。3.1.5数值比较1.引脚图：图3-9 74LS686引脚图2.功能表表3-774LS686功能表INPUTSOUTPUTSDATAENABLEP,QP=QP>QP<QXLLLHLLLHLHHHHLHH3.1.6锁存电路8D型透明(直通)锁存器8D型透明(直通)同相、三态输出锁存器(373)1. 型号：表3-8 型号类型国际通用国内通用特征TTL54/74LS373CT

37、4373,CT54/74LS373三态输出带控制输入及允许输出G端，输出Voh最小值为3.65V54/74S373CT3373,CT54/74S37354/74AS37354/74ALS373CT54/74ALS37354/74F373CT54/74F373CMOS54/74HC(T)37354/74AC(T)373S2. 373逻辑引脚图：Vcc 8Q 8D 7D 7Q 6Q 6D 5D 5Q GEN Q D G OC 1Q 1D 2D 2Q 3Q 3D 4D 4Q GND图3-10 373逻辑引脚图说明：373各类电路中除54/74LS373外，其它电路驱动能力均较大。L：低电平。H：高电

38、平。X：高低电平均可。Z：高阻抗。Q：为输出端。D：数据输入端。G：允许端。：输出三态控制端。电源电压参考值：TTL极限值+7V，一般使用+5V。 COMS极限值+20V，一般使用+15V。3. 典型参数表3-9 典型参数型号典型传输延迟时间(ns)典型总功耗(mW)LS36316.5210LS37319120S3737525ALS373870F3734.5190HC(T)37313AC(T)3737.0(8.25)4.功能表表3-10 功能表输入输出 G DQL H HL H LL L XHLQoH X XZ3.2直流稳压电源电子设备都需要稳定的直流电源。功率较小的直流电源大多数都是将50H

39、z的交流电经过变压、整流、滤波和稳压后获得。本设计所用电源电路如图3-11所示。1.单相桥式整流电路介绍整流电路用来将交流电压交换为单相脉动的直流电压。图中变压器将交流电网电压220V变成整流电路要求的交流电压 9V，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型图3-11电源电路来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在此规定右上侧二极管为D1，顺时针依次为D2、D3、D4在变压器二次侧电压的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1 流向负载，再由二极管 D3流回变压器，所以D1、D3正向

40、导通，D2、D4反向截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。在u2的负半周，其极性与以上过程相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向负载，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反向截止，D2、D4正向导通。电流流过负载时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性变化分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较

41、低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51AG、QL62AL等，其中QL62AL的额定电流为2A，最大反向电压为251000V。2.变压器和整流二极管的选择1) 变压器的选择根据需要因后续电路要用到5V直流电，而稳压块7805要求其输入的带有波动的电压要比输出的直流电压高35V，所以变压器选择初级电压为220V交流电，次级电压为8V10V的变压器，在这我选用的是次级电压为9V的变压器。其中稳压块7805为额定电流为0.5A的稳

42、压块。2) 整流二极管的选择由于所选变压器为220V/9V的变压器，所以变压器的次级电压的峰值为9V12.7V。而桥式整流电路中的整流二极管所承受的最大反向电压为次级电压的峰值。流过整流二极管的电流的最大值约为0.2A，查电子工程师手册，选用2CZ11型整流二极管，使用时须加60*60*1.5mm3的铝散热片。3.滤波电路滤波电路用来滤除整流后单向脉冲电压中的交流成分，变成平滑的直流电压。整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流部分。 此电路采用的是电容滤波电路，即在桥式整流电路输出端

43、与负载之间并联一个大电容。滤波电容容量较大，因此一般采用电解电容，电容滤波电路利用电容的冲、放电作用，使输出电压趋于平滑。最后加一个0.1f小电容滤除电源中的高频分量。4.滤波电容的选择1) 电容的选择由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为+10，电容的耐压值应大于1.1U2，其中U2为9V，所以选择电解电容的耐压值为大于14伏的。2) 电容容量为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足RLC=(35)T/2，其中T=0.02s，由于后续电路大概需要200mA的电流，输出电压平均值UO（AV）1.2 U2，经计算可知RL=1.2×9 V /200A=54，所

44、以C=(35)T/2/ RL=556926F，查电子工程师手册可以选用铝电解电容CD22宽温限型，容量选择1000F。所以电容的参数是：耐压值为14伏，电容值为1000F的铝电解电容。5.稳压电路稳压电路的作用是当输入交流电压波动时、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。稳压器采用7805系列即输出电压值5伏，它属于三端固定输出集成稳压，两边输入输出中间接地。它的最大输入电压为35V，7805最适合的输入电压为8V，输出电流分为1.5A、0.5A、0.1A三个档次。本设计中变压器的次级电压有效值为9V， 在7805稳压的范围内。在单相桥式整流电路中已经知道，后续电路的稳压电路的负载电流大概

45、为0.2A左右，所以在这里所选择的稳压块的最大输出电流为0.5A。表3-11 7805的参数参数名称符号典型值单位输出电压Vo5V静态电流Io4.2mA最大压差| Vr-Vo|min2.0DB经过一系列的变压、整流、滤波、稳压后，Vcc处得到+5V直流稳压电源。3.3（IGBT）驱动电路3.3.1 IGBT对驱动电路的要求1.概述由于IGBT是复合了功率场效应管与电力晶体管的所有优点而派生的一种新型功率器件，要想让它发挥应有的作用，对其驱动电路的研究和了解是至关重要的。下面从IGBT对驱动电路的基本要求方面对其进行简单的介绍。1) 在IGBT的驱动电路中应提供适当的正、反向栅极电压Uge，使I

46、GBT能可靠的导通和关断。一般来说，当正栅偏压+Uge的幅度较大时，IGBT的通态压降和导通损耗均会下降，这是所理想的。但+Uge过大时，则负载短路时其集电极电流Ic会随+Uge的增大而增大，不利于安全。所以，通常+Uge的值取+Uge>15v最为适当。同样，负栅偏压-Uge的幅值也不能过大，若过大时，IGBT在关断时会产生较大的浪涌电流，导致引起IGBT的误导通。所以，通常负的栅偏压-Uge值取-Uge=-5v为宜。2) 设计IGBT的驱动电路时，其开关时间应综合考虑。首先应该肯定，IGBT的快速导通和关断有利于提高其工作频率，并减少工作过程中的损耗；然而更应当考虑到在大电感负载下，I

47、GBT导通和关断的工作频率不宜过高，因为其高速通，断会在电感负载两端产生很大的尖峰电压。这种尖峰电压必然会给IGBT造成威胁，极有可能造成IGBT本身或其他元器件被击穿而损坏。3) 当IGBT导通后，其驱动电路应继续提供规定时间的、足够的栅极电压与电流幅值，也就是说，驱动电路必须给出足够的脉宽，从而使IGBT在正常工作及过载情况下不至于退出饱和区而造成损坏。4) 必须重视对IGBT驱动电路中的栅极串联电阻Rg取值的确定，因为此电阻阻值的大小对IGBT的工作性能有较大影响。若Rg值较大时，有利于抑制电流的变化率di/dt和电压的变化率du/dt，但反过来又会增加IGBT的工作时间和开关损耗，这是

48、一个矛盾。若Rg值较小时，会引起电流变化率di/dt和电压变化率du/dt增大，有可能引起IGBT的误导通或损坏IGBT管。所以，栅极串联电阻Rg的取值应与具体驱动电路的电路结构和所用IGBT的容量、参数结合起来合理选取才是。通常，Rg的取值范围一般在几个欧姆到几十个欧姆，对于较小容量的IGBT管，Rg可稍大一些。(5) IGBT驱动电路应有较强的抗干扰能力，并应具备对IGBT的保护功能。驱动电路、抗干扰电路、过压、过流保护和其它保护电路，都应与IGBT的开关速度相适应、相匹配。另外，IGBT固有着一种对静电敏感的脆弱性，所以IGBT驱动电路应具有防静电措施，电路板需设计静电屏蔽。在电路板焊接

49、工艺中，IGBT必须采取电烙铁无电焊接，并应注意在焊接之前必须保证IGBT的栅极G与发射极E一直保持短路连接，不得开路。2.IGBT驱动电路的分类IGBT的驱动电路通常分为以下三大类型：1) 第一类是直接驱动法 所谓“直接驱动法”是指输入信号通过整形，经直流或交流放大后直接去“开”、“断”IGBT。这种驱动电路，其输入信号与被控制驱动的IGBT主回路共地。2) 第二类是隔离驱动法 所谓“隔离驱动法”是指输入信号通过变压器或光电耦合器隔离输出后，经直流或交流放大后直接去“开”、“断”IGBT。这种驱动电路，其输入信号与被控制驱动电路的IGBT主回路不共地，实现了输入与输出电路的电气隔离，并具有较

50、强的共模电压抑制能力。3) 第三类是专用集成模块驱动法 所谓“集成模块驱动法”是指将驱动电路高度集成化，使其具有比较完善的驱动功能、抗干扰能力、自动保护功能，可实现对IGBT的最优驱动。这种驱动电路，其输入信号与被控制驱动的IGBT主回路不共地，也实现了输入与输出电路的电气隔离，并具有较强的共模电压抑制能力。3.3.2IGBT的变压器隔离驱动1.变压器隔离驱动电路变压器隔离驱动法驱动电路如图3-12所示。图3-12 IGBT的变压器隔离驱动法驱动电路2.变压器隔离驱动电路原理简述图3-12所示IGBT的变压器隔离驱动法驱动电路采用了隔离变压器T。输入信号经隔离变压器T初级线圈感应到次级线圈，经

51、二极管整流、整形、电阻R2缓冲，在负载电阻上形成“开”、“断”脉冲，通过栅极串联电阻Rg去控制IGBT管的导通和关断。由于输出偏压的大小可由变压器的匝数比得到实现，故电路未设计放大器。同样，为了消除可能产生的寄生振荡，在IGBT栅极G与发射极E之间接入了RC阻尼滤波网络。这种直接驱动电路适合于对较小容量IGBT的驱动。3.3.3IGBT的直接驱动1.驱动电路直接驱动法驱动电路的特点是电路结构简单、扼要。其电路如图3-13所示。图3-13 IGBT的直接驱动法驱动电路2.驱动电路原理简述图3-13所示IGBT的直接驱动法驱动电路采用了正、负双电源供电。一般来说，对于IGBT这样的特殊器件都要采取

52、正、负双电源供电，只有这样才能使IGBT稳定的工作。电路的工作原理简单，输入信号经集成电路(施密特)IC整形后经缓冲限流电阻R2、加速电容Cj进入由VT1、VT2组成的有源负载方式放大器进行放大，以提供足够的门极(即IGBT的栅极)电流。为了消除可能产生的寄生振荡，在IGBT栅极G与发射极E之间接入了RC阻尼滤波网络。这种直接驱动电路适合于对较小容量IGBT的驱动。3.3.4 IGBT的光耦隔离驱动1.光耦隔离驱动电路光耦隔离驱动法驱动电路如图3-14所示图3-14 IGBT的光耦隔离驱动法驱动电路2.光耦隔离驱动电路原理简述图3-14所示IGBT电路采用了HU型光电耦合器。原理如下：输入信号

53、正脉冲点亮光电耦合器HU中发光二极管LED，光敏二极管VF受光照射其动态电阻减小，使内三极管VT正偏而饱和导通，集电极电位变负，场效应管VT1截止夹断，其漏极电位升高，NPN型三极管VT2立即饱和导通，其正偏电压+Ec经VT2、Rg加到IGBT发射极E，使IGBT正偏而导通。当输入信号负脉冲（或变为0电位）时，光电耦合器HU中的发光二极管LED熄灭，光敏二极管VF无光照射其动态电阻剧增，使内三极管VT无偏压而截止，集电极电位变正，场效应管VT1开通，其漏极电位变负，PNP型三极管VT3立即饱和导通，其反偏电压由-Ec经VT3、Rg加到IGBT发射极E，使IGBT反偏而关断。这种直接驱动电路适合

54、于对较大容量IGBT的驱动。3.3.5 IGBT的集成模块驱动1.集成模块驱动电路EXB系列IGBT驱动模块是目前国内市场应用最多的IGBT驱动模块，包括标准型和高速型两种。EXB系列可以驱动全部的IGBT,特点是在驱动模块内部装有2500V的高隔离电压的光电耦合器,有过流保护电路和过流保护输出端子，且可单电源供电。表3-12列出了标准型系列和高速型系列驱动模块的型号及可驱动的IGBT的规格。标准型驱动电路信号最大延时为4s，高速型驱动电路信号最大延时为1. 5s。表3-12富士公司EXB系列IGBT驱动模块IGBT600V IGBT驱动1200V IGBT驱动150A400A75A300A标准型EXB850EXB851EXB850EXB851高速型EX