CN104270006A - 一种基于buck电路的电流驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于BUCK电路的电流驱动器，是由电源电路、BUCK回路模块、占空比可调的PWM产生模块和采样滤波放大模块组成，电源模块是由XL6009芯片、LM2575-12V稳压芯片、MAX745反相芯片及其外围电路组成；BUCK回路模块是由二极管、电感、电容及MOS管组成；占空比可调的PWM产生模块是由TL494芯片及其外围电路组成；采样滤波放大模块由CS010LX、采样电阻、LM358芯片及其外围电路组成；升压芯片XL6009为升压型直流电源变换器芯片，通过控制电位计RR3，即可控制BUCK回路高端电压，以完成最高输出电流的选择；本发明可适应于不同输入电压环境；可根据输出最大电流和负载电阻，调整BUCK回路输入电压上限；实现控制电压范围的调整；具有更高的可靠性。

Description

一种基于BUCK电路的电流驱动器
技术领域
本发明涉及一种电流驱动器，特别涉及一种基于BUCK电路的电流驱动器。
背景技术
现有的电流驱动器不能实现输出电流范围、控制电压范围及保护范围的可调。
发明内容
本发明的目的是提供一种输出电流范围、控制电压范围及保护范围可调的基于BUCK电路的电流驱动器。
本发明是由电源电路、BUCK回路模块、占空比可调的PWM产生模块和采样滤波放大模块组成，电源模块是由XL6009芯片、LM2575-12V稳压芯片、MAX765反相芯片及其外围电路组成；BUCK回路模块是由二极管、电感、电容及MOS管组成；占空比可调的PWM产生模块是由TL494芯片及其外围电路组成；采样滤波放大模块由CS010LX、采样电阻、LM358芯片及其外围电路组成；TL494芯片通过控制电压输入与采样滤波放大模块反馈的电压进行比较，控制PWM输出占空比，进而控制MOS管开关时间，进而通过BUCK回路实现负载电流控制。
电源模块
电源模块的功能主要为：①为负载、芯片提供稳压正向电源；②在输入电压非12V时，提供稳定12V正向电压；③为霍尔电流传感器提供-12V稳定电压；④根据输出电流去求，提供高于输入电压的高压。
电源模块为基于XL6009的升压电路、基于LM2575-12的稳压电路及基于MAX765芯片组成的-12V产生电路。
升压芯片XL6009为升压型直流电源变换器芯片，输入电压为5-32V，频率为400KHZ，转换效率为80%-90%，输出电压为如公式（1）,通过控制电位计RR3，即可控制BUCK回路高端电压，以完成最高输出电流的选择。
VOUT=1.25×(1+RR3/R9)        (1)
LM2575-12稳压芯片是美国国家半导体公司生产的集成稳压电路，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品，其最大稳态误差为4%，效率为75%～88%，输入电压为5-42V。
针对在此选用的电流霍尔传感器CS010LX，需±12V电压输入，因此，在此基于MAX765设计负电压产生模块，如图5所示，MAX765芯片，为+3V至+15V输入，-12V输出。在此，输出电压可调，如公式(2)所示，其中RR5在此选择量程为100K的电位计，用于调整负电压输出
Vout=-1.5×RR5/R6          (2)
BUCK回路模块
BUCK回路模块中的电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器的设计原则是，使输出电压的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过。在此为实现大功率输出，二极管采用1N5284，MOS管采用IRF540N，为P沟道MOS管，且具有较小的内阻。同时，通过匹配电容和电感值，达到有效的减少纹波电流和纹波电压的目的，在此电容为耐压值35V，470uF的电解电容，电感为10mH，制作的最大电流5A的电感。
除上述BUCK回路外，还包括霍尔式的电流传感器CS010LX及采样电阻。CS010LX为霍尔效应的开环电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流，脉冲以及各种不规则波形的电流。输入电压为±12V，输出与电流成正比的电压值。回路中，将电流传感器放到MOS管D极与电源间，令其始终处于回路，实现电流检测，采样电阻采用2728-0.1R为大功率的贴片采样电阻，电阻一端与参考地连接，一端与MOS管源极连接。
占空比可调的PWM产生模块
占空比可调的PWM产生模块选用TL494CN芯片，该芯片1脚连接采样放大电路的输出端，接收经过滤波放大后的采样电流信号即反馈信号；2脚通过连接外部输入控制电压；3脚外接相位校正电路，用于调整电路中因大量的电感性负载而造成的电流和电压相位的不同；4脚接地；5脚、6脚外接振荡电容C6和振荡电阻R6，用于产生锯齿波电压，该电压与1脚反馈信号和2脚控制信号的差值进行比较，生成PWM信号；7脚接地；8脚、11脚连接MOS管门极，用于输出PWM信号；9脚、10脚接地；12脚接车载12V电源，用于TL494芯片供电；13脚接地，用于TL494芯片采用并联输出；14脚为内部5V基准电压输出，用于设置基准电压；15脚经调整电阻连接14脚；16脚连接BUCK电路中采样电阻输出端。
PWM发生器外接的相位校正电路由电阻R1、R2、电容C1组成，两端分别连接TL494芯片的2脚和3脚，用于调整电路中因大量的电感性负载而造成的电流和电压相位的不同。
其中TL494芯片15脚接收14脚输出的基准电压经调整电位计RR2的调整得到的参考电压，用于设定最大电流值；16脚接收采样电流，与15脚输入的最大电流进行比较，若采样电流大于最大电流，则关闭脉冲，保护电路，反之继续输出脉冲。
采样滤波放大模块
采样滤波放大模块为基于有源RC滤波的信号处理放大电路，包括LM358双运放芯片及电阻R5、R7、R8，电容C4及电位计RR4，实现滤除噪声和信号放大功能，图示电路为一阶低通滤波电路，其中截止频率f如公式(3)，增益G如公式(4)所示，在此选择电阻R5为3.3K，R7为1.5K(用于限流)，R8为100K，C4为0.1uF，RR4为100K的电位计。
f=1/(2π×R8×C4)     (3)
G=1+RR4/R5
(4)
本发明的有益效果是：
①电路中通过电位计实现升压可调、反馈电压可调、过流保护范围可调及PWM占空比最大值可调，实现输出电流范围、控制电压范围及保护范围的可调；
②采用短路块模块，设计多个选择模块，如SW1/SW2/SW3模块，分别为反向电压输入选取、传感器供电电压选择及采样元件选择。
附图说明
图1是本发明的电路框图。
图2是本发明的电路图。
图3是本发明电源模块的以XL6009芯片为主的升压电路图。
图4是本发明电源模块的以LM2575-12V芯片为主的稳压电路图。
图5是本发明电源模块的以MAX765负12V芯片为主的电路图。
图6是本发明的BUCK回路模块及电流采集元件电路图。
图7是本发明的基于TL494芯片的占空比可调的PWM产生模块电路图。
图8是本发明的基于LM358芯片的采样滤波放大模块电路图。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，本实施例是由电源电路、BUCK回路模块、占空比可调的PWM产生模块和采样滤波放大模块组成，电源模块是由XL6009芯片、LM2575-12V稳压芯片、MAX765反相芯片及其外围电路组成；BUCK回路模块是由二极管、电感、电容及MOS管组成；占空比可调的PWM产生模块是由TL494芯片及其外围电路组成；采样滤波放大模块由CS010LX、采样电阻、LM358芯片及其外围电路组成；TL494芯片通过控制电压输入与采样滤波放大模块反馈的电压进行比较，控制PWM输出占空比，进而控制MOS管开关时间，进而通过BUCK回路实现负载电流控制。
电源模块
电源模块的功能主要为：①为负载、芯片提供稳压正向电源；②在输入电压非12V时，提供稳定12V正向电压；③为霍尔电流传感器提供-12V稳定电压；④根据输出电流去求，提供高于输入电压的高压。
如图3、图4、图5所示，分别为基于XL6009的升压电路、基于LM2575-12的稳压电路及基于MAX765芯片组成的-12V产生电路。
如图3所示，为升压模块原理图。升压芯片XL6009为升压型直流电源变换器芯片，输入电压为5-32V，频率为400KHZ，转换效率为80%-90%，输出电压为如公式（1）,通过控制电位计RR3，即可控制BUCK回路高端电压，以完成最高输出电流的选择。
VOUT=1.25×(1+RR3/R9)      （1）。
如图4所示，为LM2575-12稳压芯片，是美国国家半导体公司生产的集成稳压电路，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品，其最大稳态误差为4%，效率为75%～88%，输入电压为5-42V。
针对在此选用的电流霍尔传感器CS010LX，需±12V电压输入，因此，在此基于MAX765设计负电压产生模块，如图5所示，MAX765芯片，为+3V至+15V输入，-12V输出。在此，输出电压可调，如公式(2)所示，其中RR5在此选择量程为100K的电位计，用于调整负电压输出
Vout=-1.5×RR5/R6        （2）。
BUCK回路模块
在Buck电路中的电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器的设计原则是，使输出电压的直流分量可以通过，抑制输出电压的开关频率及其谐波分量通过。在此为实现大功率输出，二极管采用1N5284，MOS管采用IRF540N，为P沟道MOS管，且具有较小的内阻。同时，通过匹配电容和电感值，达到有效的减少纹波电流和纹波电压的目的，在此电容为耐压值35V，470uF的电解电容，电感为10mH，制作的最大电流5A的电感。
如图6所示，除上述BUCK回路外，还包括霍尔式的电流传感器CS010LX及采样电阻。CS010LX为霍尔效应的开环电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流，脉冲以及各种不规则波形的电流。输入电压为±12V，输出与电流成正比的电压值。回路中，将电流传感器放到MOS管D极与电源间，令其始终处于回路，实现电流检测，采样电阻采用2728-0.1R为大功率的贴片采样电阻，电阻一端与参考地连接，一端与MOS管源极连接。
占空比可调的PWM产生模块
如图7所示，为PWM产生模块，脉宽调制控制电路选用德州仪器TL494CN芯片，该芯片1脚连接采样放大电路的输出端，接收经过滤波放大后的采样电流信号即反馈信号；2脚通过连接外部输入控制电压；3脚外接相位校正电路，用于调整电路中因大量的电感性负载而造成的电流和电压相位的不同；4脚接地；5脚、6脚外接振荡电容C6和振荡电阻R6，用于产生锯齿波电压，该电压与1脚反馈信号和2脚控制信号的差值进行比较，生成PWM信号；7脚接地；8脚、11脚连接MOS管门极，用于输出PWM信号；9脚、10脚接地；12脚接车载12V电源，用于TL494芯片供电；13脚接地，用于TL494芯片采用并联输出；14脚为内部5V基准电压输出，用于设置基准电压；15脚经调整电阻连接14脚；16脚连接BUCK电路中采样电阻输出端。
PWM发生器外接的相位校正电路由电阻R1、R2、电容C1组成，两端分别连接TL494芯片的2脚和3脚，用于调整电路中因大量的电感性负载而造成的电流和电压相位的不同。
其中TL494芯片15脚接收14脚输出的基准电压经调整电位计RR2的调整得到的参考电压，用于设定最大电流值；16脚接收采样电流，与15脚输入的最大电流进行比较，若采样电流大于最大电流，则关闭脉冲，保护电路，反之继续输出脉冲。
采样滤波放大模块
如图8所示，为基于有源RC滤波的信号处理放大电路，包括LM358双运放芯片及电阻R5、R7、R8，电容C4及电位计RR4，实现滤除噪声和信号放大功能，图示电路为一阶低通滤波电路，其中截止频率f如公式(3)，增益G如公式(4)所示，在此选择电阻R5为3.3K，R7为1.5K(用于限流)，R8为100K，C4为0.1uF，RR4为100K的电位计。
f=1/(2π×R8×C4)       （3）
G=1+RR4/R5       （4）。
本发明的创新点是：①电路中通过电位计实现升压可调、反馈电压可调、过流保护范围可调及PWM占空比最大值可调，实现输出电流范围、控制电压范围及保护范围的可调；②采用短路块模块，设计多个选择模块，如图1中SW1/SW2/SW3模块，分别为反向电压输入选取、传感器供电电压选择及采样元件选择。

Claims (1)

1.一种基于BUCK电路的电流驱动器，特征在于：是由电源电路、BUCK回路模块、占空比可调的PWM产生模块和采样滤波放大模块组成，电源模块是由XL6009芯片、LM2575-12V稳压芯片、MAX765反相芯片及其外围电路组成；BUCK回路模块是由二极管、电感、电容及MOS管组成；占空比可调的PWM产生模块是由TL494芯片及其外围电路组成；采样滤波放大模块由CS010LX、采样电阻、LM358芯片及其外围电路组成；升压芯片XL6009为升压型直流电源变换器芯片，通过控制电位计RR3，即可控制BUCK回路高端电压，以完成最高输出电流的选择；
电源模块是基于XL6009的升压电路、基于LM2575-12的稳压电路及基于MAX765芯片组成的-12V产生电路；电源模块为负载和芯片提供稳压正向电源；在输入电压非12V时，电源模块提供稳定12V正向电压；电源模块为霍尔电流传感器提供-12V稳定电压；电源模块根据输出电流去求，提供高于输入电压的高压；
BUCK回路模块中的电感L和电容C组成低通滤波器，BUCK回路模块还具有霍尔式的电流传感器CS010LX及采样电阻；CS010LX为霍尔效应的开环电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流，脉冲以及各种不规则波形的电流；电流传感器放到MOS管D极与电源间，令其始终处于回路，实现电流检测，采样电阻采用2728-0.1R为大功率的贴片采样电阻，采样电阻一端与参考地连接，另一端与MOS管源极连接；
占空比可调的PWM产生模块选用TL494CN芯片，该TL494CN芯片1脚连接采样放大电路的输出端，接收经过滤波放大后的采样电流信号即反馈信号；2脚通过连接外部输入控制电压；3脚外接相位校正电路，用于调整电路中因大量的电感性负载而造成的电流和电压相位的不同；4脚接地；5脚、6脚外接振荡电容C6和振荡电阻R6，用于产生锯齿波电压，该电压与1脚反馈信号和2脚控制信号的差值进行比较，生成PWM信号；7脚接地；8脚、11脚连接MOS管门极，用于输出PWM信号；9脚、10脚接地；12脚接车载12V电源，用于TL494芯片供电；13脚接地，用于TL494芯片采用并联输出；14脚为内部5V基准电压输出，用于设置基准电压；15脚经调整电阻连接14脚；16脚连接BUCK电路中采样电阻输出端；占空比可调的PWM产生模块外接的相位校正电路由电阻R1、R2、电容C1组成，两端分别连接TL494芯片的2脚和3脚，用于调整电路中因大量的电感性负载而造成的电流和电压相位的不同；其中TL494芯片15脚接收14脚输出的基准电压经调整电位计RR2的调整得到的参考电压，用于设定最大电流值；16脚接收采样电流，与15脚输入的最大电流进行比较，若采样电流大于最大电流，则关闭脉冲，保护电路，反之继续输出脉冲；
采样滤波放大模块为基于有源RC滤波的信号处理放大电路，包括LM358双运放芯片及电阻R5、R7、R8，电容C4及电位计RR4，实现滤除噪声和信号放大功能，其中的电阻R5、电阻R7为限流电阻，R8、C4、RR4组成电位计。
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